Embed Size (px)
Citation preview
T.C.PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİFEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FİZİK ANABİLİM DALI
TİCARİ YARI-İLETKEN KARAKTERİSTİKLERİNİN
SİMÜLASYONU VE DENEYSEL ANALİZLERİNİN
KARŞILAŞTIRILMASI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ZEKERİYA MEHMET YÜKSEL
DENİZLİ, AĞUSTOS - 2014
T.C.PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİFEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FİZİK ANABİLİM DALI
TİCARİ YARI-İLETKEN KARAKTERİSTİKLERİNİN
SİMÜLASYONU VE DENEYSEL ANALİZLERİNİN
KARŞILAŞTIRILMASI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ZEKERİYA MEHMET YÜKSEL
DENİZLİ, AĞUSTOS - 2014
i
ÖZET
TİCARİ YARI-İLETKEN KARAKTERİSTİKLERİNİN SİMÜLASYONUVE DENEYSEL ANALİZLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI
YÜKSEK LİSANS TEZİZEKERİYA MEHMET YÜKSEL
PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜFİZİK ANABİLİM DALI
(TEZ DANIŞMANI: Öğr. Gör. Tayfun DEMİRTÜRK)
DENİZLİ, AĞUSTOS - 2014
Bu çalışmada, LabVIEW programlama dilinde hazırlanan bir program ile
yarı-iletken devre elemanlarından diyot, transistör ve MOSFET’ lerin çalışma
prensipleri incelenmiş, ayrıca Multisim programında yer alan simülasyon yöntemi
ile aynı çalışma prensipleri elde edilerek, genel sonuçlar üreticilerden elde edilen
katalog bilgileri ile karşılaştırılmıştır.
LabVIEW programlama dilinde hazırlanan programın çalışması
incelenerek ve yapılan deneyler birçok sefer tekrarlanarak programın verimliliği
yükseltilmiştir. Üniversitelerin elektronik laboratuvarlarında bu ve benzeri
deneyler sürekli gerçekleştirilmektedir. Yaratılan program ile öğrenci
laboratuvarlarında yapılan bu deneylerin daha sağlıklı ve daha hızlı olması
amaçlanmıştır. Ayrıca günümüzün ilerleyen teknolojik gelişmelerine paralel
olarak, öğrencilerin yaptığı bu deneyleri bilgisayar ortamına taşımak ve
öğrencilere bu programları tanıtmak çalışmanın genel amaçları arasında yer
almıştır.
Sonuç olarak; yaratılan program, yarı-iletkenlerin karakteristik
özelliklerini yüksek tutarlılık ile ortaya koymuş, elde edilen sonuçlar hem
simülasyon hem de üretici firmaların katalog bilgileri ile uyuşarak, öğrenci
laboratuvarlarında bu ve benzeri programların kullanılarak öğrenme verimliliğinin
arttırılabileceği tartışılmış ve yorumlanmıştır.
ANAHTAR KELİMELER: Yarı-iletken, Multisim, LabVIEW, simülasyon, NImyDAQ.
ii
ABSTRACT
COMMERCIALY PRODUCED SEMICONDUCTORS SIMULATION ANDDATA ACQUISITION OF EXPERİMENTAL ANALYSIS
MSC THESISZEKERİYA MEHMET YÜKSEL
PAMUKKALE UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCEPHYSİCS
(SUPERVISOR:Ins. Dr. Tayfun DEMİRTÜRK)
DENİZLİ, AUGUST 2014
In this study, a LabVIEW program was created for the semiconductor
circuit components which are diodes, transistors and MOSFET’s operating
principles examined further Multisim program the simulation method and the
same principle are obtained and the overall results from producers obtained
catalog data are compared with.
The study was prepared in LabVIEW programs and an experiment
examining the effectiveness of the program has been raised many times repeated.
These and similar experiments in the laboratories of universities electronics is
carried out continuously. Students with programs created in the laboratories of
these experiments are intended to be more healthy and faster. In addition to
today's advancing technological developments in parallel computing environment
for students to try this his move to introduce this program to the students of the
general objectives of the study were included.
As a result, created programs semiconductor properties characteristic of
high consistency and has revealed the results obtained, as the simulation of both
the manufacturers' catalogs with information, students in the labs of this and
similar programs using the learning efficiency can be increased are discussed and
interpreted.
KEYWORDS: Semiconductor, Multisim, LabVIEW, simulation, NI myDAQ.
iii
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET...................................................................................................................iABSTRACT.......................................................................................................iiİÇİNDEKİLER ................................................................................................iiiŞEKİL LİSTESİ...............................................................................................viTABLO LİSTESİ ..............................................................................................xGRAFİK LİSTESİ ...........................................................................................xiSEMBOL LİSTESİ .........................................................................................xiiKISALTMALAR ...........................................................................................xiiiÖNSÖZ............................................................................................................xiv1 GİRİŞ.............................................................................................................1
1.1 Doğrultma Çalışmaları .........................................................................11.2 Foto-iletkenlik ve Foto-voltaiklik ........................................................21.3 Yarı-iletken Teorisindeki Gelişim........................................................21.4 Yarı-iletken Cihazların Gelişimi ..........................................................31.5 Entegre Devreler...................................................................................71.6 Tünel Diyot...........................................................................................71.7 Metal Oksit Yarı-iletken, Alan Etkili Transistör (MOSFET) .............8
2 YARI-İLETKENLER..................................................................................122.1 Katıların Band Teorisi ........................................................................122.2 Yarı-iletkenlerde Elektronik İletkenlik...............................................152.3 Katkılı Yarı-iletkenler ........................................................................172.4 Katkılı Yarı-iletkenlerde Elektrik İletkenliği .....................................222.5 p-n Eklemlerinin Elektriksel Özellikleri ............................................242.6 p-n Ekleminin Doğru Beslenmesi ......................................................252.7 p-n Ekleminin Ters Beslenmesi..........................................................272.8 p-n Ekleminin Yapılışı .......................................................................292.9 p-n Ekleminin Elektriksel Davranışı ..................................................312.10 Yarı-iletken Diyot...............................................................................332.11 Zener Diyot.........................................................................................34
2.11.1 Değişken Giriş Gerilimine Karşılık Çıkış GerilimininRegülasyonu ..............................................................................................372.11.2 Değişken Yüke Karşılık Çıkış Gerilimi Regülasyonu .................38
2.12 Transistör............................................................................................392.12.1 Transistör Yapısı ..........................................................................402.12.2 Transistör Parametreleri...............................................................442.12.3 Collector Eğrileri .........................................................................472.12.4 Kesim ve Doyum .........................................................................482.12.5 Voltaj Yükselticisi Olarak Bipolar Transistör .............................522.12.6 Anahtar Olarak Bipolar Transistör ..............................................532.12.7 Sızıntı Akımının Ölçülmesi .........................................................542.12.8 Kazanç Ölçmeleri ........................................................................552.12.9 Eğri Çiziciler................................................................................552.12.10 Transistör Paketlerinin ve Terminallerinin Tanınması ................55
3 ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖRLER ........................................................573.1 Eklem Alan Etkili Transistör (JFET) .................................................57
iv
3.2 Çalışma İlkesi .....................................................................................583.3 JFET Karakteristikleri ve Parametreleri Akıtıcı (drain) Eğrilerive Kıstırma ....................................................................................................613.4 Transfer Karakteristikleri ...................................................................653.5 JFET DÜZ TRANSKONDÜKTANSI...............................................663.6 Giriş Direnci ve Sığası .......................................................................673.7 Drain - Source Direnci .......................................................................683.8 JFET’ lerin Beslenmesi ......................................................................68
3.8.1 Bir JFET’ in Kendiliğinden Beslenmesi ......................................683.8.2 Besleme Noktasının Ayarlanması................................................703.8.3 Orta Nokta Beslemesi ..................................................................70
3.9 Metal Oksit Yarı-iletken FET’ ler (MOSFET)...................................713.9.1 Arınma Artışlı Mosfet (Depletion Enhancement Mosfet) ...........713.9.2 Artışlı MOSFET (Enhancement MOSFET: e-MOSFET) ...........743.9.3 V-MOSFET .................................................................................753.9.4 MOSFET Karakteristikleri ve Parametreleri ...............................76
3.9.4.1 Arınma Artışlı MOSFET Transfer Karakteristikleri...............763.9.4.2 Artışlı MOSFET Transfer Karakteristiği ................................77
3.9.5 MOSFET’ in Beslenmesi.............................................................783.9.5.1 E-MOSFET’ in Beslenmesi ....................................................78
4 PROGRAMLAR ve CİHAZ......................................................................804.1 Multisim .............................................................................................804.2 LabVIEW ...........................................................................................82
4.2.1 LabVIEW in Yapısı .....................................................................834.2.2 Veri Toplama ve İşleme...............................................................86
4.3 NI myDAQ .........................................................................................865 DENEYSEL YÖNTEM ve VERİLER .....................................................92
5.1 Diyot Uygulamaları ............................................................................945.2 Transistör Uygulamaları ...................................................................1075.3 MOSFET Uygulamaları ...................................................................111
6 SONUÇLAR..............................................................................................120KAYNAKLAR ..............................................................................................123EKLER...........................................................................................................126
EK A.1 1N4007 Kodlu Diyot İçin “MOSPEC” Üretici FirmasınınYayımladığı Datasheet. ...............................................................................126EK A.2 1N4007 Kodlu Diyot İçin “Diotec” Üretici FirmasınınYayımladığı Datasheet. ...............................................................................128EK B 1N4740A Kodlu Zener Diyot İçin “HITACHI Semiconductor”Üretici Firmasının Yayımladığı Datasheet. .................................................130EK C 2N401 Kodlu Transistör İçin “ROHM” Üretici FirmasınınYayımladığı Datasheet. ...............................................................................135EK D BS170 Kodlu MOSFET İçin “DIODES INCORPORATED”Üretici Firmasının Yayımladığı Datasheet. .................................................139EK E BUZ11 Kodlu MOSFET İçin “intersil” Üretici FirmasınınYayımladığı Datasheet. ...............................................................................141EK F 1N4007 Kodlu Diyot İçin Yapılan İleri Besleme Akım – GerilimKarakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü. ................................................146EK G 1N4007 Kodlu Diyot İçin Yapılan Geri Besleme Akım – GerilimKarakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü. ................................................147
v
EK H Kod Numarası Bilinmeyen Diyot İçin Yapılan İleri Besleme Akım– Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü. ...............................148EK I Kod Numarası Bilinmeyen Diyot İçin Yapılan İleri Besleme Akım– Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü. ...............................149EK J 1N4740A Kodlu Zener Diyot İçin Yapılan İleri Besleme Akım– Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü. ...............................150EK K 1N4740A Kodlu Zener Diyot İçin Yapılan Geri Besleme Akım– Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü. ...............................151EK L 2N4401 Kodlu Transistör İçin 2 Voltluk Base Gerilimi AltındaYapılan Akım – Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.........152EK M 2N4401 Kodlu Transistör İçin 9 Voltluk Base Gerilimi AltındaYapılan Akım – Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.........153EK N BS170 Kodlu MOSFET İçin -5 Voltluk Gate Gerilimi AltındaYapılan Akım – Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.........154EK O BUZ11 Kodlu MOSFET İçin -5 Voltluk Gate Gerilimi AltındaYapılan Akım – Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.........155EK P MOSFET Çalışmaları İçin Hazırlanan LabVIEW ProgramınınBlock Panel Ekran Görüntüsü. ....................................................................156
vi
ŞEKİL LİSTESİ
Şekiller Sayfa
1.1: Yüzey durumları düşüncesi 41.2: Soldan sağa: Shockley, Bardeen ve Brattain. Lucent TechnologiesInc./BellLabs 51.3: İlk nokta temaslı transistör 51.4: Metal oksit yarı-iletken transistör kesiti 91.5: SOI MOSFET kesiti 101.6: SOI üzerine yeni cihaz kavramları 112.1: Katı cisim içindeki atomlara ait enerji düzeylerinin yarılarakenerji bandlarının oluşumu 122.2: Katı cisimleri band teorisine göre elektriksel iletkenliklerinin gösterimi 142.3: Malzemelerin elektriksel iletkenliklerine göre sınıflandırılması 152.4: Değerlik bandına çıkarak serbest elektron haline gelen iletkenlik elektronuve geride bıraktığı elektron boşluğu yarı-iletkenin elektriksel iletkenliğinekatkıda bulunur. Elektronlar ve boşluklar zıt elektrik yükü taşıdıklarındanbir elektrik alanda ters yönde hareket ederler 162.5: a) Saf Si kristali, b) Si kristali içinde bir fosfor katkı atomu 172.6: Verici seviyelerinin band modeli üzerinde gösterimi 202.7: Kristal örgüsü içinde yabancı atomun “yerini alarak” ve “sıkışarak”yerleşmesi 202.8: Alıcı Seviyesinin tanımı 212.9: p-n kavşağının oluşturulması ve arınma bölgesinin meydana gelişi 242.10: Bir p-n kavşağının doğru beslenmesi 252.11: Doğru beslenmiş bir Si; p-n kavşağının akım-gerilim karakteristiği 262.12: Bir p-n kavşağının ters besleme ile beslenmesi 272.13: Ters bağlanmış bir p-n kavşağının akım-gerilim diyagramı 282.14: Bir p-n kavşağının yapısı 302.15: İnce film teknolojisi ile yapılmış p-n kavşakları 302.16: Alternatif gerilim uygulanmış bir diyotun giriş ve çıkışındaki gerilimler 312.17: Bir diyotun akım-gerilim karakteristikleri düz besleme halindedevreden akım geçerken, ters besleme durumunda devreden akımgeçmemektedir 322.18: Si diyotun ideal, pratik ve gerçek diyot modellemelerinin (I-V)grafikleri 322.19: Bir diyotun elektrik devresindeki kullanım sembolü 332.20: Bir diyotun düz ve ters beslenmesi, a) düz besleme, b) ters besleme 332.21: Uygulamada kullanılan çeşitli diyot tipleri 342.22: a) Zener diyotun sembolü, b) Genel zener diyot karakteristiği 342.23: Zener diyotun ters besleme karakteristiği 352.24: Zener diyot eşdeğer devresi ve ters beslemekarakteristiğinin değerlendirilmesi 362.25: Zener diyot kullanılarak yapılan voltaj regülasyonu 372.26: Değişken girişin zener diyot ile regüle edilmesi 382.27: Değişken yük kullanılan devrede zener regülasyonu 382.28: pnp ve npn transistör yapıları 402.29: npn ve pnp transistörlerin yapısı ve sembolleri 41
vii
2.30: Bipolar transistörlerin beslenmesi 412.31: Bipolar npn transistör çalışma ilkesi. a) düz-ters beslemede npntransistör içindeki yaklaşım, b) emitter - base kavşağında elektron akışı,c) Base - kollektör kavşağında elektron 432.32: Transistör akım yönleri 442.33: Transistör besleme devreleri 452.34: Transistör devre analizi 462.35: Transistör için ideal DC modeli 472.36: a) Collector karakteristiklerinin çizilmesi için devre, b) tek bir baseakımı için elde edilen karakteristik I-V eğrisi 472.37: Farklı Base akımı değerleri için Collector eğrileri ailesi 482.38: Kesilme durumunda collector sızıntı akımı 492.39: Doyum olayının açıklanması 502.40: Çeşitli sıcaklıklarda βDC nin collector akımına bağlı olarak değişmesi 502.41: Maksimum güç eğrisi 512.42: Alternatif gerilim sinyali ile beslenmiş transistör ve eşdeğer devresi 522.43: Transistörde ideal anahtarlama işlemi. a) transistör kesim durumundab) transistör doyum durumunda 532.44: Sızıntı akımı ölçmeleri için devreler 552.45: Transistörlerin paket ve ayak (terminal) yapılarından bazıları 563.1: n ve p kanal JFET yapıları 583.2: n Kanal JFET’ in beslenmesi 593.3: VGG nin kanal genişliği ve drain akımı üzerine etkisi, b) büyük VGG kanalıdaraltır, ID yi azaltır, c) küçük VGG kanalı genişletir, ID yi arttırır 603.4: JFET Sembolleri 603.5: a) VGS = 0 ve değişken VDS li JFET, b) VG2S = 0 V için akıtıcı(Drain) karakteristik eğrisi 613.6: VGS = 0 için JFET karakteristik davranışları 623.7: VGS negatifleştikçe kıstırma daha küçük VDS değerlerinde meydana gelir
633.8: VGS nin ID yi kontrol etmesinin açıklanması 633.9: Kesilme durumunda JFET davranışı 653.10: JFET transfer karakteristik eğrisi 653.11: Sağdaki JFET drain karakteristiklerinden soldaki JFET transferkarakteristiklerinin çıkartılması 663.12: gm, besleme noktasına (VGS) bağlı olarak değişir 673.13: JFET’lerin kendiliğinden beslenmesi (tüm FET’lerde IS = ID dir) 693.14: DE MOSFET yapıları 723.15: n kanal DE MOSFET’ in çalışma ilkesi. a) arınma modu, b) artışlı mod 733.16: DE MOSFET’ lerin şematik gösterilişi 733.17: E-MOSFET yapısı ve çalışma prensibi 743.18: n ve p kanal E-MOSFET sembolleri 743.19: Konvansiyonel E-MOSFET ve V-MOSFET yapıları 753.20: DE-MOSFET transfer karakteristik eğrileri 763.21: E-MOSFET transfer karakteristik eğrileri 773.22: Sıfır beslemeli DE-MOSFET 783.23: E-MOSFET için besleme devreleri 794.1: BS170 Kodlu MOSFET için yapılan Multisin çalışması 824.2: Mosfet incelemeleri için hazırlanan LabVIEW programının ön panelgörünümü 84
viii
4.3: Mosfet incelemeleri için hazırlanan LabVIEW programının blokdiyagram görüntümü 854.4: NImyDAQ özellikleri 874.5: DAQ assistance kullanım örneği 884.6: NI myDAQ bağlantı şeması 884.7: NI ELVISmx programının başlangıç ara yüzü 904.8: ELVISmx içeriğindeki dijital avometre programı 915.1: Sağdan sola sırasıyla BUZ 11, BS 170 kodlu MOSFETler ve 2N4401transistör 935.2: Sağdan sola sırasıyla 1N4007 kodlu diyot ile 1N4740A kodlu zenerdiyot 935.3: Sağdan sola sırasıyla; kod numarası bilinmeyen germanyum diyot vedeneylerde kullanılan dirençlere bir örnek olarak 1.01MΩ luk direnç 935.4: 1N4007 kodlu diyot için ileri besleme simülasyonu 945.5: 1N4007 kodlu diyot için geri besleme simülasyonu 955.6: 1N4007 kodlu silisyum diyot için LabVIEW programında gerçekleştirenileri besleme deneyinin ekran görüntüsü 965.7: 1N4007 kodlu silisyum diyot için LabVIEW programında gerçekleştirengeri besleme deneyinin ekran görüntüsü 975.8: 1N4007 diyot için üretici firma ileri besleme eğrileri 995.9: 1N4007 diyot için üretici firma geri besleme eğrileri 995.10: Kod numarası bilinmeyen germanyum diyot için LabVIEWprogramında gerçekleştiren ileri besleme deneyinin ekrangörüntüsü 1005.11: Kod numarası bilinmeyen germanyum diyot için LabVIEWprogramında gerçekleştiren geri besleme deneyinin ekran görüntüsü 1025.12: 1N4740A kodlu zener diyot için ileri besleme simülasyonu 1035.13: 1N4740A kodlu zener diyot için geri besleme simülasyonu 1035.14: 1N4740A kodlu silisyum zener diyot için LabVIEW programındagerçekleştiren ileri besleme deneyinin ekran görüntüsü 1045.15: 1N4740A kodlu silisyum zener diyot için LabVIEWprogramında gerçekleştiren ileri besleme deneyinin ekran görüntüsü 1055.16: 1N4740A kodlu zener diyot için üretici firma ileri besleme grafiği 1065.17: 2N4401 kodlu transistör için akım gerilim simülasyonuna aitekran görüntüsü 1075.18: 2N4401 kodlu transistör için 2 voltluk base gerilimi altındayapılan çalışmanın LabVIEW deney görüntüsü 1085.19: 2N4401 kodlu transistör için 9 voltluk base gerilimi altındayapılan çalışmanın LabVIEW deney görüntüsü 1085.20: 2N4401 kodlu transistör için üretici firmadan alınan IC – VCEakım – gerilim karakteristik eğrileri 1105.21: BS 170 kodlu MOSFET’ in akım – gerilim (ID – VDS) karakteristiğininMultisim Programında ki simülasyonu 1125.22: BS 170 kodlu MOSFET’ in -5 volt gate gerilimi altında, akım– gerilim karakteristiği 1135.23: BS 170 kodlu MOSFET için “DIODES INCORPORATED”firmasının kataloğundan alınana ID – VDS akım – gerilim grafiği 1155.24: BS 170 kodlu MOSFET’ in akım – gerilim (ID – VDS)karakteristiğinin Multisim Programında ki simülasyonu 116
ix
5.25: BUZ 11 kodlu MOSFET için “intersil” firmasının kataloğundan alınanID – VDS akım – gerilim grafiği 1175.26: BUZ 11 kodlu MOSFET’ in -5 volt gate gerilimi altında, akım –gerilim (ID – VDS) karakteristiği 118
x
TABLO LİSTESİ
Tablo Sayfa
2.1: Si ve Ge içinde 5 değerli vericilerin iyonizasyon enerjileri.......................194.1: Devre elemanlarının gruplandırılması 814.2: NI myDAQ teknik özellikleri 89
xi
GRAFİK LİSTESİ
Grafik Sayfa
5.1: 1N4007 kodlu silisyum diyot için yapılan deney sonrası elde edilenveriler ile çizilen ileri besleme akım gerilim grafiği. .....................96
5.2: 1N4007 kodlu silisyum diyot için yapılan deney sonrası elde edilenveriler ile çizilen geri besleme akım gerilim grafiği. .....................98
5.3: Kod numarası bilinmeyen germanyum diyot için ileri beselemegrafiği. ..........................................................................................101
5.4: Kod numarası bilinmeyen germanyum diyot için geri beselemegrafiği. ..........................................................................................102
5.5: 1N4740A kodlu zener diyot için ileri besleme grafiği. ...........................1045.6: 1N4740A kodlu zener diyot için ileri besleme grafiği. ...........................1055.7: 2N4401 kodlu transistör için yapılan deney sonuçlarında elde edilen
veriler ile çizilen grafik. ...............................................................1095.8: BS 170 kodlu MOSFET’ in -5 voltlu VGS gerilim altında ki akım –
gerilim (ID – VDS) grafiği. ...........................................................1135.9: BS 170 kodlu MOSFET için akım – gerilim (ID – VDS) karakteristik
grafiği. ..........................................................................................1145.10: BUZ 11 kodlu MOSFET için akım – gerilim (ID – VDS) karakteristik
grafiği. ..........................................................................................118
xii
SEMBOL LİSTESİ
İletim bandı enerji seviyesiValans bandı enerji seviyesiYasak enerji aralığı enerjisiFermi enerji seviyesiVerici bağlantı enerjisiElektron voltİletkenlikBoltzmann sabitiPlanck sabitiİletim bandı enerji seviyesiDeşiğin kütlesiElektronun kütlesi∗ Deşiğin etkin kütlesi∗ Elektronun etkin kütlesiSaf yarı-iletkenlerde taşıyıcı yoğunluğuAkım yoğunluğuElektrik potansiyeliMobiliteKatkısız elektriksel iletkenlikSıcaklık katsayısıAkım kazancıDielektrik sabitiİyonize olmuş verici sayısıİyonize olmuş alıcı sayısı
xiii
KISALTMALAR
Cu : BakırGe : GermanyumC : KarbonSi : SilisyumAu : AltınT : Mutlak sıcaklık0K : Kelvin0C : SantigratP : FosforMo : MolibdenAg2S : Gümüş SülfürCu2S : Bakır SülfürPbS : Kurşun SülfürSiO2 : Silisyum dioksitSb : AntimonDC : Doğru akımAC : Alternatif akımFET : Alan Etkili TransistörJFET : Eklem Alan Etkili TransistörMESFET : Metal-yarı-iletken Alan Etkili TransistörMOSFET : Metal Oksit Yarı-iletken Alan Etkili Transistör
xiv
ÖNSÖZ
Bu çalışmanın gerçekleşmesi süresince tecrübelerinden yararlandığım,emeğini, hoşgörüsünü ve bilimsel katkılarını gördüğüm saygıdeğer danışmanhocam Öğr. Gör. Dr. Tayfun DEMİRTÜRK’ e en içten teşekkürlerimi sunarım.
Çalışmalarım sırasında bilgilerini benimle paylaşan Uzm. Süleyman Ş.ÇELİK’ e teşekkür ederim.
Deneysel çalışmalarım esnasında yardımlarını esirgemeyen değerliarkadaşım Fatih AŞKIN’ a teşekkür ederim.
Yüksek lisans ve lisans eğitimim boyunca her türlü yardım, ilgi vedostluklarını esirgemeyen, zor zamanlarımda bana destek olan arkadaşım ArzuŞİBİLİ’ ye teşekkür ederim.
Son olarak bu günlere gelmemde benden maddi ve manevi destekleriniesirgemeyen, bana sabrın tükendiği noktada birbirimize duyduğumuz sevgiyleayakta durmayı öğreten sevgili annem Pervin Yüksel’e ve kardeşim YağmurYüksel’e teşekkür ediyorum. Bu çalışmayı rahmetli babam Celal YÜKSEL’ eithaf ediyorum.
1
1 GİRİŞ
Yarı-iletken malzemelerin geliştirilmesi üzerine yapılan ilk çalışmalar, 1833
yılında Micheal Faraday ile başlayarak 1954 yılında ilk silikon transistörün üretimi
arasında ki yılları kapsamaktadır. Bant teorisinin gelişiyle, bu çalışmalar teknolojinin
ihtiyaçları tarafından yönlendirilen bir hal aldı. Ancak çalışmaların saf silikon ve
germanyum büyütme üzerinde yoğunlaşması ve bu malzemelerin özelliklerinin daha
iyi anlaşılması ile katılar üzerinde başarılı kuantum teorisinin geliştirilmesi yarı-
iletken çalışmalarında bir patlama yaratmış ve çalışmalar bugün de devam
etmektedir.
G. Busch’a göre “yarı-iletken” terimi ilk defa Alessandro Volta tarafından
1782 yılında kullanılmıştır. 1833 yılında Michael Faraday’ in Gümüş sülfür
direncinin, diğer metallere oranla farklı sıcaklık değerleri ile azaldığını fark etmesi
yarı-iletken etkisinin belgelenmiş ilk gözlemi olarak kabul edilmektedir (Laeri,
2003). Daha sonraları Ag2S ve Cu2S malzemelerinin, elektriksel iletkenliklerinin,
sıcaklığa bağımlılığının kapsamlı bir analizi, Johann Hittorf tarafından 1851 yılında
yayınlanmıştır (Busch, 1989).
1.1 Doğrultma Çalışmaları
1874 yılında Karl Ferdinand Braun, bir metal noktası ile kontaktanmış metal
sülfürlerin iletim ve doğrultmalarını gözlemlemiştir. Braun' un bu gözlemi hemen bir
etki yaratmamasına rağmen, İkinci Dünya Savaşı yıllarında radar sistemlerinin, radyo
dalgalarını ve mikrodalga radyasyonunu algılaması çalışmalarının gelişiminde
önemli bir rol oynamıştır (1909 yılında Braun, Marconi ile fizik Nobel Ödülü'nü
paylaşmıştır). Arthur Schuster 1874 yılında vida bağlantılı bakır telden yapılan bir
devrede doğrultmayı gözlemlemiştir (Orton, 2009). Schuster bu gözleminde,
doğrultma etkisinin, devrenin belirli bir süre boyunca kullanılmadığında ortaya
çıktığını fark etti, devreyi temizlediği anda (bu durumda bakır oksit devreden
uzaklaştırılıyordu) doğrultma kayboluyordu. Bu şekilde Arthur Schuster, yeni bir
yarı-iletken olarak bakır oksit keşfetti. 1929 yılında ise Walter Schottky deneysel bir
2
metal yarı-iletken kavşağında bariyer varlığını kanıtladı (Jenkins, 2005). Bu
gelişmeler yarı-iletken malzemeler için yapılan doğrultma çalışmalarının öncüleridir.
1.2 Foto-iletkenlik ve Foto-voltaiklik
1839 yılında Alexandre Edmond Becquerel bir yarı-iletken ve elektrolit
arasındaki bir kontakta fotovoltaik etkisini keşfetti. Katılardaki foto iletkenlik
Willoughby Smith tarafından 1873 yılında, denizaltılar için gerekli olan yüksek
dirençli kablolar üzerine yaptığı çalışmalar sırasında keşfedilmiştir (Orton, 2004).
Smith deneylerinde selenyum dirençler kullandı ve ışığın selenyum dirençlerin
değerlerinde yüksek bir düşüşe neden olduğunun fark etti. Adams ve Day ise
katılardaki fotovoltaik etkiyi 1876 yılında keşfettiler. Işığın, bir pile bağlı olan
selenyumdan akan akımın yönünü değiştirdiğini keşfettiler. Çalışan ilk güneş pili
1883 yılında Charles Fritts tarafından inşa edilmiştir. Bu güneş pili, çok ince bir altın
tabaka ile kaplanmış metal plaka ve ince bir tabaka halindeki selenyumdan ibarettir
(Perlin, 2002). Bu güneş pilinin verimi %1’ in altındadır (Grundman, 2002).
1.3 Yarı-iletken Teorisindeki Gelişim
1878 yılında Edwin Herbert Hall katılarda ki yük taşıyıcılarının manyetik
alanda yön değiştirdiklerini keşfetti (Hall etkisi). Bu olgu, yarı-iletkenlerin
özelliklerini incelemek için yapılan çalışmalarda kullanılmaktadır (Hoddeson, 1992).
J.J. Thomson tarafından elektronun keşfedilmesinden kısa bir süre sonra birkaç bilim
adamı metallerde elektron merkezli iletimin teorisini öne attı. 1899 yılında ortaya
atılan Eduard Riecke’ nin teorisi hayli ilginçti çünkü bu teoriye göre negatif ve
pozitif yükler farklı yoğunlukta ve farklı hareketlilikte yük taşıyorlardı. 1908
yıllarında Karl Baedeker tam oranlı ölçüm (stokiyometri) yöntemini kullanarak bakır
iyodürün iyot içeriğine bağımlı iletkenliğini gözlemledi ve ayrıca, bu malzemedeki
pozitif yük taşıyıcılarının gösterdiği Hall etkisini ölçtü (Busch, 1989). 1914 yılında
Johan Koenigsberger iletkenlik özellikleri açısından yarı-iletkenleri malzemeleri üç
gruba ayırdı, bu ayrım: metaller, izolatörler ve "değişken iletkenler" şeklindedir.
1928 yılında Ferdinand Bloch elektron örgüleri teorisini geliştirdi. 1930 yılında
3
Bernhard Gudden yarı-iletkenlerin gözlemlenen özelliklerinin, yarı-iletken
içerisindeki yabancı maddelerin varlığına bağlı olduğunu belirtti ve kimyasal olarak
saf yarı-iletkenin bulunmadığını ortaya attı. 1930 yılında Rudolf Peierls yasak bölge
konseptini tanıttı ve aynı yıl Brillouin tarafından yasak bölge konsepti katılarda
uygulandı. Ayrıca 1930 yılında Kroning ve Penney periyodik potansiyel için basit bir
analitik model geliştirdi. 1931 yılında Alan Wilson katılar için boş ve enerji dolu
bant fikrine dayalı bant teorisi geliştirdi. Wilson ayrıca yarı-iletkenlerin iletkenliğinin
kirlilikler nedeniyle olduğunu doğruladı ve aynı yıl içerisinde Heisenberg hole
kavramını geliştirdi. 1938 yılında Walter Schottky ve Neville F. Mott bir metal-yarı-
iletken kavşağı üzerinden potansiyel bariyer ve akım modelini geliştirdiler (1977
Nobel Ödülü). Bir yıl sonra Schottky alan yükü kavramı altında kendi modelini
genişletti. 1938 yılında Boris Davydov bakır oksit doğrultmasında bir p-n ekleminin
varlığı teorisini öne sürdü ve ayrıca yüzey yüklerinin önemini açıkladı (Jenkins,
2007). 1942 yılında Hans Bethe termo-iyonik emisyon teorisini geliştirdi ve 1967
Nobel Ödülü’nü kazandı.
1.4 Yarı-iletken Cihazların Gelişimi
1904 yılında J. C. Bose, PbS noktası kontak doğrultucular için patent
başvurusunda bulunarak yarı-iletken cihazlar için alınan ilk patenti elde etti. G.
Pickard silikon nokta kontak doğrultucuların radyo dalgaları saptanmasında yararlı
olduğunu göstererek ilk bilim insanı oldu ve 1906 yılında patent başvurusunda
bulundu. Selenyum ve bakır oksit doğrultucular sırasıyla 1925 ve 1926 yıllarında L.
O. Gröndahl ve E. Presör tarafından geliştirilmiştir. İkinci dünya savaşı yıllarında
selenyum doğrultucular askeri haberleşme ve radar donanımları olarak yoğunlukla
kullanılmışlardır.
Russell Ohl radyo dalgalarının saptanması üzerine yaptığı çalışma esnasında
detektörleri ile yaşadığı sorunların kötü kalitedeki yarı-iletkenler nedeniyle
kaynaklandığını fark etti silisyum tüpler içinde silikon eriterek eriyen silikonu
soğumaya bıraktı. Böylelikle elde ettiği malzeme hala polikristal bir yapıdaydı fakat
malzeme üzerinde yapılan elektriksel testler, malzemenin özelliklerinin çok daha
muntazam olduğunu göstermişti. Ohl yaptığı bu çalışmalar sırasında yanlışlıkla
4
ortaya çıkan kirlilik sayesinde p-n eklemini tanımladı. Bunun üzerine dört farklı p-n
eklemi düzenleyerek bu eklemler için patent aldı (Riordan, 1997).
1945 yılında William Shockley alan-etki prensibi ile çalışan bir yarı-iletken
amplifikatör kavramını ortaya koydu. Fikir dikey bir elektrik alanın, bir yarı-iletken
katmanın yalnızca iletkenliğini değiştireceği üzerine oluşturulmuştu. Ancak bu etki
deneysel olarak gözlenmedi. John Bardeen, işlenmemiş malzemelerin yüzey
durumlarının yarattığı bir etki nedeniyle deneysel taramaların sonuçsuz kaldığı
fikrini geliştirdi ve ortaya attığı bu yeni yüzey teorisi fikri (Şekil 1.1) 1947 yılında
yayımlandı (Shockley, 1949).
Şekil 1.1: Yüzey durumları düşüncesi.
John Bardeen ve Walter Brattain (Şekil 1.2) alan etkili cihazlar üzerinde
çalışırlarken 1947 yılının Aralık ayında ilk germanyum nokta kontaklı transistor
(Şekil 1.3) ürettiler ve bu cihazın güç kazancı sağladığını sergilediler. Ancak
transistörün çalışma mekanizmasında beklenmedik belirsizlikler bulunmaktaydı.
Shockley, azınlık taşıyıcıların toplu iletimini tercih etmesinin, yeni cihazın
çalışmasında baskın bir rol üstlendiği ve yüzeyle ilgili belirsizliklerin bu durumdan
kaynaklandığını savunarak, Bardeen ve Brattain ikna etti. Yaklaşık bir ay sonra da
Shockley bir p-n ekleminin teorisini ve p-n eklemli bir transistörü geliştirdi.
Shockley, Bardeen ve Brattain 1956 yılında fizik dalında Nobel Ödülü kazandılar
(Lukasiak, 2010).
5
Şekil 1.2: Soldan sağa: Shockley, Bardeen ve Brattain. Lucent TechnologiesInc./Bell Labs.
Şubat 1948’de John Shive çok ince bir dilim halindeki germanyum (0,01 cm)
plakayı emiter ve kolektör bağlantılarının ters tarafta yerleştirerek nokta temaslı bir
transistör tasarladı ve bu transistörün doğru şekilde çalıştığını gösterdi. Bu
yapılandırma, iletimin sadece yarı-iletkenin yüzeyi boyunca değil de, toplu olarak
gerçekleştiğini gösterdi. Zaten Shockley bu gelişmeden sonra transistörün çalışma
teorisini sunabilmişti. (Ross, 1998)
Şekil 1.3: İlk nokta temaslı transistör.
6
Bardeen ve Brattain yarı-iletkenlerin en önemli özelliğinin "hassas yapısı"
olduğunu söylemektedir ve bu özellik numunenin saflığına kuvvetle bağımlıdır.
Bardeen ve Brattain çalıştığı yarı-iletken malzeme Czochralski yöntemi üzerine inşa
edilen, Gordon K. Teal ve John B. Little tarafından geliştirilen bir teknik kullanılarak
elde edilmiştir. Bu yöntemde kristal, William G. Pfann önerdiği bölge arıtma
yöntemi kullanılarak saflaştırılmıştır. Üretilen ilk nokta kontak transistörler son
derece kararsızdılar ve elektriksel özelliklerini kontrol altında tutabilmek oldukça
zordu. İlk geliştirilen eklem transistörler 1952 yılında imal edildi. Bu transistörler
noktadan temas yönteminden önce imal edilen transistörlerden çok daha iyiydiler,
ancak üretim çok daha zor oldu. Karmaşık bir katkılama (doping) prosedürünün
sonucu olarak üretilen kristal n-p-n yapısına sahip olan üç bölgeden oluşmaktaydı.
Her bir bölgenin cihaz içerisine kesilerek yerleştirilmesi ve temasların tek tek
yapılması gerekiyordu. Bu süreç zorluydu ve kolayca otomatikleştirilemedi. Ayrıca
bir sürü yar-ıiletken malzeme israf edilmekteydi. (Riordan, 1999)
1952 yılında ise katkılı kontak tipi transistör yapıldı. Bu ürünün üretimi daha
kolaydı ve daha az malzeme tüketerek, kısmen otomatik bir şekilde üretilebilecekti.
Elde edilen taban kanal genişliği yaklaşık 10 μm olmuştu bu nedenle cihaz sadece
birkaç MHz mertebesinde çalışabilmekteydi. İlk yayınık tabanlı Ge transistör 1954
yılında yapıldı. Bu transistörün taban kanal genişliği 1 μm oldu ve 500 MHz
mertebesinde çalışabiliyordu. Böylelikle, birçok uygulama için silikon transistörlerin
alt ters akımlar nedeniyle germanyum transistörlerden daha iyi olacağı anlaşıldı, bu
gelişmeyle birlikte ilk ticari silikon cihazlar (büyük eklemli) Gordon Teal tarafından
1954 yılında imal edildi. (Esaki, 1976)
İlk yayınık tabanlı Si transistör ise 1955 yılında ortaya çıktı. John Early,
kırılma voltajını çok fazla düşürmeden, çalışma hızını sınırlayan kolektör direncini
azaltmak için, iki tabakadan oluşan bir kolektör düzeneği kullanabileceğini düşündü,
yüksek katkılı bir tabaka üzerine yüksek dirençli bir tabaka yerleştirmeyi tasarladı.
Böylelikle kristal doğrultusu ana yapısı ile aynı olan (epitaksiyel tabaka) transistor
1960 yılında ortaya çıktı. Aynı yıl içerisinde Jean Hoerni düzlemsel transistörü (hem
base hem de emiter bölgeleri yayınık tabanlı) önerdi. Bu, transistör maske olarak
kullanılan oksit yüzey kaldırılmayarak, koruma yüzeyi olarak görev almaktaydı.
7
Transistörlerin çalışma hızında gerçekleştiren iyileştirmelerden biri de
Herbert Kroemer tarafından önerilmişti. Yerleşik bir elektrik alan, kademeli doping
vasıtasıyla transistörün taban içine nüfus ettirilebilir, ya da yarı-iletken malzemenin
kendisi derecelendirilmiş bileşim sayesinde kademeli band boşlukları oluşturarak
yerleşik bir elektrik alan oluşturulabilirdi. Ancak bu heterojen yapı kavramı üretim
sorunları nedeniyle kolayca uygulamaya koyulamadı (Esaki 1976).
1.5 Entegre Devreler
Tüm bu gelişmelerin sonucunda, transistörler çok daha güvenilir bir şekilde,
çok daha hızlı çalışmaya başladılar ve ayrıca vakum tüplerine göre çok daha az ısı
üretiyorlardı. Böylelikle büyük sistemlerin bu cihazları kullanılarak inşa edilebileceği
fikri ortaya çıkmaya başladı. Ancak transistör yapısındaki mesafeden ve ara
bağlantılardan kaynaklanan gecikmeleri en aza indirmek için, bu mesafenin mümkün
olduğunca kısa tutulması gerekmekteydi. 1958 yılında Jack Kilby çeşitli cihazları tek
bir silikon tabaka içinde tel bağlantı yoluyla imal ederek ilk entegre devreyi ortaya
çıkardı. Kilby tel bağlantı yönteminin patent başvurusunda sorun çıkartabileceğini
fark ederek, yarı-iletken malzemesi olan SiO2 üzerine koruyucu bir tabaka halinde
alüminyum birikimi (deposition) ile bağlantılarının oluşturulmasını önerdi. Bu
yöntem, 1959 yılında Robert Noyce tarafından, Jack Kilby’den bağımsız bir şekilde
gerçekleştirilmiştir ve 2000 yılında Jack Kilby çalışmalarının başarı nedeniyle fizik
dalında Nobel Ödülünü kazanmıştır (Berlin, 2005).
1.6 Tünel Diyot
Leo Esaki yayıcı kontak noktasında ki enjeksiyon oranı yetersiz olmadan
önce iki kutuplu bir transistörün baz katkısının ne kadar yüksek olabileceğini
öğrenmek için ağır katkılı kontak noktaları üzerine çalışmalar yaptı. Bu çalışmaları
sırasında her dar kontak noktasının tünel etkisi yarattığını fark etti, bu farkındalık
sayesinde ilk Ge tünel diyotunu 1957 yılında, silikon diyotunu ise 1958 yılında elde
etti. 1958 yılındaki Elektron ve Telekomünikasyon Katıhal Fiziği Uluslararası
Konferansı'nda Esaki’nin yaptığı sunum Shockley tarafından takdir edilmiştir.
8
Bu olaydan iki yıl önce Robert Noyce tünel diyot fikrini sunmak için
kendisine geldiğinde, Shockley bu konuya ilgi göstermemişti ve Robert Noyce başka
alanlarda çalışmaya başlamıştı. (Lukasiak, 2010)
Tünel diyot iletimi, azınlık taşıyıcılarının veya termal etkilere dayalı değildi
bu sebeple çevre koşullarına son derece dayanıklıydı. Ayrıca, anahtarlama süreleri
transistörün anahtarlama süresine nazaran çok daha kısa olmaktaydı. Leo Esaki tünel
diyotlar ve süper örgü üzerine yaptığı çalışmaları için 1973 yılında fizik alanında
Nobel Ödülü aldı.
1.7 Metal Oksit Yarı-iletken, Alan Etkili Transistör (MOSFET)
1930 ve 1933 yıllarında Julius Lilienfeld sırasıyla, bugünün MESFET ve
MOSFET'ini temsil eden cihazlar için patent aldı.
1934 yılında ise Oskar Heil alan etkili transistörlerin kapasitif denetimi
yaptığı teorik çalışmaları için bir patent başvurusunda bulundu.
İlk bipolar transistörler oldukça güvensiz bir çalışma sergiliyorlardı çünkü
yarı-iletken yüzeyler düzgün bir şekilde pasifize edilmemişlerdi. M. M. Atalla
yönettiği bir grup bu sorun üzerinde çalışmalar yaptı ve silikon dioksit bir tabakanın
bu sorun için bir cevap olabileceğini öne sürdü. Bu çalışmalar sırasında bir alan etkili
transistörün yeni bir kavramın geliştirdi ve gerçek cihazların üretiminde kullanıldı.
Ancak bu cihazlar o zaman ki bipolar transistörlerin performansına ulaşamadılar ve
büyük ölçüde unutuldular (Atalla, 1959)
Bell Laboratuvarları MOS transistörü göstermeden birkaç yıl önce RCA
(Radio Corporation of America) çalışanı olan Paul Weimer ve Torkel Wallmark
benzer cihazlar üzerine çalışmalar yaptılar. Weimer kadmiyum sülfür ve kadmiyum
selenür transistörler üretti.
1963 yılında Steven Hofstein ve Frederic Hymen silikon MOSFET üzerinde
bir bildiri yayınladı (Şekil 1.4). Aynı yıl içerisinde ilk CMOS devre Frank Wanlass
tarafından önerildi (Hoftesein, 1960).
9
1970 yılında Willard Boyle ve George Smith şarj-çiftli cihazlar (CCD)
kavramını sundu. Her iki bilim adamı CCD üzerindeki çalışmaları için 2009 yılında
fizik alanında Nobel Ödülü aldı.
Şekil 1.4: Metal oksit yarı-iletken transistör kesiti.
İlk MOSFET ler alüminyum kapıya sahipti. Poli-Si kapısının geliştirilmesi,
kapının kendisinin, kaynak ve drenaj difüzyonu için maske oluşturarak, kendi
kendini normal konuma getiren bir cihazın oluşmasına yol açtı. Bu şekilde, gate-
kolektör ve gate-emiter arasında meydana gelen parazit kapasitansları kontrol
edilebilir bir hale geldi. Polisilikonun nispeten yüksek dirence sahip olması nedeniyle
kapıların yansıtıcı metal tabanlı silisyum malzemeden yapılması önerilmiştir (Kervin
1969).
İlk MOSFET cihazların boyutları oldukça büyüktü ve yararlı bir şekilde
kullanılabilmeleri için bu boyutların küçültülmesi gerekmekteydi, ancak aygıtın
boyutunun azaltılması eşik gerilimi ve drenaj kaynaklı bariyer içeren kısa kanal
etkilerine yol açıyordu. Bu sorunla başa çıkmak için başvurulan yollar; artan direnci
önlemek ile birlikte kaynak ve drenaj derinliğini azaltıcı yöndeydi (örneğin, hafif
katkılı drenaj, yüksek kaynak boşaltması ve muhtemel Schottky bariyeri). Kanalların
uygun katkılama profilleri sayesinde eşik gerilimi kontrol altına alınabilir bir hale
getirilmekteydi.
Gate yüzeyi olabildiğince ince bir tabaka halinde oksitlendiğinde eşik
geriliminin etkileri oldukça azalmaktaydı. Gate yüzeyinin kalınlığının azaltılmasının
bir sonucu olarak; gate bölgesinin kaçak akımı artar, bu sebeple cihaz içerisindeki
yongaların güç tüketimi artar ve bu durum sabit pil ile çalışan cihazalar için
istenmeyen bir etki oluşturur.
10
Gate bölgesindeki kaçak akımın her 30 katlık artışına karşılık olarak, kanal
bölgesindeki kaçak akımın yaklaşık olarak 3 ila 5 kat artmasına neden olduğu tahmin
edilmektedir. Gate bölgesinin oksit yüzeyinin azaltılması, kaçak akımın yanı sıra bor
katkılı silis yarı-iletkenlerin poli-Si kapısında kanal bölgesine nüfuz eden bor
duyarlılığını arttırmaktaydı.
Klasik MOSFET lerin farklı bir uygulaması ise yalıtkan yüzey üzerinesilikon kaplama şeklinde gerçekleştirildi (SOI).
Şekil 1.5: SOI MOSFET kesiti.
SOI MOSFET lerin en büyük avantajı entegre bir devredeki diğer devre
elemanlarından elektriksel izolasyon sağlayabilmesi ve böylelikle paketlenmiş
yoğunluğun arttırılmasıdır. Ayrıca, kaynak ve drenajın birleşme alanı önemli ölçüde
azalmaktadır, böylece parazittik sığa azalır.
Bölgenin genişliği Si gövde kalınlığı ile sınırlandırılmıştır, bu nedenle SOI
kanalı yoluyla kaynak-drenaj bağlamanın göz ardı edilemeyecek şekilde, kısa kanal
etkilerini azaltmaya yardımcı olduğuna inanılmaktadır. SOI aygıtların bu özellikleri
gövde kalınlığının azaltılması ile daha da iyileştirilmektedir. Tamamen tüketilmiş
alanlı ve ultra ince vücut yapılı SOI’lerin en önemli ölçekleme çözümlerden biri
olduğuna inanılmaktadır (Saraswat, 1979).
11
Şekil 1.6: SOI üzerine yeni cihaz kavramları a) silikon üzerinde yalıtkan (SOI) alanetkili transistör (FinFET), b) SOI üçlü gate MOSFET, c) SOI П-kapı MOSFET, d)SOI Ω-gate MOSFET, e) SOI gate çerçeve MOSFET, f) toplu tri-gate MOSFET.
Kanalların mükemmel kapı kontrolü nedeniyle bu cihazlar katkısız ya da çok
hafif katkılı olabilir. Bu şekilde hareketlilik daha az bozulmakta ve eşik gerilimi,
doping konsantrasyonundaki dalgalanmalara daha az bağımlı hale gelmektedir. SOI’
nin bir diğer avantajı da, yeni cihaz kavramlarının gelişimini kolaylaştırmasıdır.
12
2 YARI-İLETKENLER
2.1 Katıların Band Teorisi
Kuantum Mekaniği yasalarına göre, elektronlar atoma bağlı olan yapılarında
özellikli ve kesikli enerjilere sahiptirler. Eğer iki izole atom birbirlerine
yaklaştırılırsa her atomik enerji seviyesi ikiye yarılır. Eğer 3 atom birbirine
yaklaştırılırsa her enerji seviyesi üçe yarılacaktır. Bir katı cisim ele alındığında
birbirine örgü sabiti mesafesinde yakın N sayıda atom bir arada bulunuyor demektir.
Dolayısıyla enerji düzeyleri N ye yarılmış olacaktır. Bu enerji seviyeleri arasındaki
fark o kadar küçüktür ki bu enerji grubu sürekli bir enerji bandı olarak düşünülebilir.
Başka bir ifade ile katıdaki her enerji seviyesine prensip olarak bir enerji bandı
karşılık gelmektedir.
Şekil 2.1: Katı cisim içindeki atomlara ait enerji düzeylerinin yarılarak enerjibandlarının oluşumu.
Atomun yapısında yer alan ve daha iç kabuklarda bulunan elektronlar,
çekirdeğe yakın olmaları nedeniyle, atoma daha sıkı bağlıdırlar. Diğer taraftan bu
elektronlar üzerine öteki komşu atomların etkileri de ihmal edilebilecek kadar az
olur. Bu nedenle iç kabuklardaki bu seviyelerin yarılmaları çok daha küçük
boyutlarda olacağından iç kabuk elektronlarının enerji değerleri, pratik olarak,
atomunkiler ile aynıdır (Floyd 2012).
13
Pauli ilkesine göre her enerji düzeyinde, spinleri farklı olmak koşulu ile en
fazla iki elektron yer alabilir. Buna göre bir band N sayıda enerji düzeyine
yarılıyorsa bu bantta en fazla 2N sayıda elektron bulunabilir. Elektronlar enerji
açısından enerji değerleri küçük olan seviyelere öncelikle yerleşirler. Böylece tüm
elektronlar enerjilerine göre farklı seviyelere yerleşir. Elektron bulunan en yüksek
enerjili seviyeden sonra gelen enerji düzeyi, yerleşecek başka elektron kalmadığı
için, boş kalacaktır. Elektronlar, eğer yerleşmeleri mümkün ise, ortamdan ısı enerjisi
alarak daha yüksek enerjili düzeylere geçiş yapabilirler. Bu nedenle, bir katı içinde,
elektron bulunan en yüksek enerji düzeyi, katı cismin bulunduğu sıcaklığa bağlı
olarak değişir.
Herhangi bir sıcaklıkta elektron bulunan en yüksek enerji seviyesine değerlik
bandı, bunu izleyen ilk boş enerji düzeyine ise iletkenlik bandı adı verilmiştir.
Mutlak sıfır sıcaklığında (0 °K) elektron bulunan en yüksek enerji düzeyinin adı ise
Fermi Seviyesidir.
Değerlik bandında bulunan atoma bağlı bir elektron, herhangi bir dış etki ile
(örneğin: elektrik alan, optik aydınlatma, x-ışınları ile ışınlama, manyetik alan veya
ısı enerjisi gibi) enerji kazanabiliyor ve daha yüksek enerjili boş seviyelere, başka bir
deyişle iletkenlik bandına geçiş yapabiliyorsa, bu elektron atomdan bağımsız hale
gelir. Yani serbest elektron durumuna geçer. Elektronun katı cisim içinde serbestçe
dolaşması anlamına gelen bu olgu katı cismin iletken özellik taşıması demektir. Bu
nedenle dolu olan en yüksek enerjili banddan sonra gelen daha yüksek enerjili
seviyelere iletkenlik seviyeleri denmiştir. Örneğin metallerde en dış yörüngede
bulunan değerlik elektronu atoma zayıf bir şekilde bağlı olup, küçük bir elektrik alan
etkisi ile bağlı olduğu atomdan kurtarılabilir ve elektron serbest elektron veya
iletkenlik elektronu haline gelir ve katı cisme elektriksel iletkenlik kazandırır. Bu
özelliğe sahip maddeler iletkenler olarak bilinir.
Eğer değerlik elektronu atoma çok güçlü bağlarla bağlı ise, bir dış etki ile bu
elektronlar atomdan kopartılamaz ve iletkenlik bandına geçecek elektron
yaratılamaz. Dolayısıyla bu maddeler iletkenlik özelliği gösteremezler. Bunlara
yalıtkan maddeler denir. Bazı maddelerde ise, alçak sıcaklıklarda değerlik
bandındaki elektronlar yeterli enerji kazanarak iletkenlik bandına çıkamamalarına
rağmen, sıcaklık artınca, örneğin oda sıcaklığında (300 °K) bile elektronların
14
kazandığı enerji onların değerlik bandından iletkenlik bandına çıkmalarına neden
olur ve malzeme iletken karakter kazanır. Bu özelliğe sahip malzeme yarı-iletkenler
olarak tanımlanmıştır.
Şekil 2.2 den görüleceği gibi malzemenin elektriksel iletkenliğini belirleyen
ana faktör, değerlik bandı ile iletkenlik bandı arasındaki genişliktir. Elektronların
enerji açısından bulunmalarının mümkün olmadığı bu bölgeye Yasak Enerji Aralığı
denir. Buna göre iletken malzemede değerlik bandı ile iletkenlik bandı arasındaki
genişlik sıfırdır, başka bir ifade ile iletkenlerde değerlik bandı ile iletkenlik bandı üst
üste binmiştir (Floyd 2012).
Şekil 2.2: Katı cisimleri band teorisine göre elektriksel iletkenliklerinin gösterimi.
EF
EF
EFEF
İLETKENYALITKAN
YARI İLETKEN
15
Yalıtkanlarda ise yasak enerji aralığı oldukça geniş olup, elektron yeterli
enerji kazanarak değerlik bandından iletkenlik bandına geçiş yapamaz. Şekil 2.2 den
görüleceği gibi yarı-iletkenlerde yasak enerji aralığı, elektronların oda sıcaklığında
bile enerji kazanarak değerlik bandından iletkenlik bandına çıkmalarına izin verecek
darlıktadır. Şekil 2.3 de malzemenin elektriksel davranışına göre sınıflandırması
verilmiştir.
Şekil 2.3: Malzemelerin elektriksel iletkenliklerine göre sınıflandırılması.
2.2 Yarı-iletkenlerde Elektronik İletkenlik
Değerlik bandı ile iletkenlik bandı arasındaki yasak enerji aralığı
yalıtkanlarda 2 – 8 eV kadarken, yarı-iletken Si da 1,1 eV, yarı-iletken Ge da ise 0,7
eV kadardır. Mutlak sıfır sıcaklığında yarı-iletkenlerde de tüm elektronlar atomlara
bağlı durumdadır ve malzeme yalıtkan özellik gösterir. Sıcaklık arttıkça elektronların
ısı enerjisi olarak aldıkları enerji artar ve bu kazandıkları enerji ile Fermi seviyesine
yakın seviyelerdeki elektronlar değerlik bandından iletkenlik bandına çıkmaya
başlarlar. Böylece katı cisim içinde serbest elektron sayısı artmaya başlar ve
malzeme iletkenlik özelliği gösterir. Dahası bu iletkenlik özelliği sıcaklık ile ilişkili
olmalıdır. Çünkü sıcaklık arttıkça elektronların aldığı enerji giderek artacak ve
iletkenlik bandına çıkacak dolayısıyla da elektron sayısı fazlalaşacağı için
malzemenin iletkenliği de artacaktır.
MALZEME
İLETKENLER YALITKANLAR YARI İLETKENLER
(Metaller)
Bakır
Gümüş
Altın
Demir
Alüminyum
Cam
Lastik
Seramik
Kâğıt
Silisyum
Germanyum
InSb
GaAs
16
Bir elektron değerlik bandından iletkenlik bandına çıkarken terk ettiği yer, bir
negatif yük azaldığı için, pozitif yüklü bir parçacık gibi davranır. Elektronun değerlik
bandını terk ettikten sonra geride bıraktığı ve tamamen elektron benzeri davranış
gösteren ve elektron kütlesine eşit kütleye sahip bu pozitif boşluğa elektron boşluğu
(elektron hole, deşik) denir. Komşu atomların değerlik veya daha iç seviyelerindeki
elektronlar bu elektron boşluğuna geçiş yapabilirler. Böylece bu kez onların geldiği
enerji düzeyinde bir elektron boşluğu oluşur. Bu davranış, elektron boşluğunun
hareket etmesi olarak yorumlanabileceğinden, yarı-iletkenlerde iletkenlik bandına
sıçrayan elektronlar yanında, değerlik bandındaki elektron boşlukları da iletkenliğe
katkıda bulunur. Dolayısıyla yarı-iletkenlerdeki elektrik iletkenliğinin iki bileşeni
vardır ve toplam iletkenlik bu iki bileşenin toplanması ile bulunur (Floyd 2012).
Elektriksel iletkenlik = Elektron iletkenliği + Boşluk iletkenliği
(2.1)toplam elektron boşluk
uygulandığında bunlar birbirleri ile ters yönlerde hareket edeceklerdir, Şekil 2.4.
Şekil 2.4: Değerlik bandına çıkarak serbest elektron haline gelen iletkenlik elektronuve geride bıraktığı elektron boşluğu yarı-iletkenin elektriksel iletkenliğine katkıdabulunur. Elektronlar ve boşluklar zıt elektrik yükü taşıdıklarından bir elektrik alandaters yönde hareket eder.
Yukarıda açıklandığı gibi yarı-iletkenlerin elektrik iletkenliği sıcaklığa bağlı
olarak şiddetle değişir. Dolayısıyla malzemenin direnci de sıcaklığa şiddetle bağlıdır.
Bir yarı-iletkenin elektriksel direncinin sıcaklıkla değişimi,
17
( ) . (2.2)b
kTR T a e
ile elde edilir.
Burada b malzemeye bağlı olan bir sabit (malzeme sabiti); a ise kullanılan
kristalin boyutlarına bağlı olan bir diğer sabittir. Boltzmann sabiti k ile T nin çarpımı
enerji boyutunda olduğundan b sabiti de enerji boyutunda olmalıdır. Malzemenin
Sıcaklık Katsayısı ise,
2
1 (2.3)TdR ba
R dT kT
şeklinde tanımlanmış olup, sıcaklık 1 °C değiştiğinde meydana gelecek bağıl direnç
değişimini anlatır (Floyd 2012).
2.3 Katkılı Yarı-iletkenler
Asal yarı-iletken elementler periyodik sistemin dördüncü sütununda bulunurlar.
Bu elementlerin değerlik elektronları dörder tanedir. Örneğin Si atomu, en yakın 4
komşusu ile birer elektron çifti oluşturarak kovalent bağlar meydana getirirler, Şekil
2.5 (a).
Şekil 2.5: a) Saf Si kristali, b) Si kristali içinde bir fosfor katkı atomu.
18
Asal bir yarı-iletken kristalinin, örneğin bir silisyum kristalinin atomlarından
birinin çıkarılarak yerine 5. grup elementlerinden, örneğin bir fosfor atomu
koyduğumuzu düşünelim, Şekil 2.5 (b). Fosforun değerlik elektronu sayısı 5
olduğundan bunlardan dördü civardaki 4 Si atomu ile hemen kovalent bağlar
kurarlar. Geriye bir artık (fazla) elektron (excess electron) kalır. Fakat P çekirdeğinin
de Si çekirdeğine göre bir fazla (+) yükü vardır. Buna göre fazla elektron mesela
elektrik iletkenliğine katkıda bulunabilmek için tamamen sabit değildir. Bir dış
elektrik alanı etkisi altında bu fazla elektronun kristal içinde hareket edebilmesi,
başka bir deyişle elektriksel iletkenliğe katkıda bulunması, ilk bakışta olanaksızmış
gibi görünür. Çünkü bunun için elektrona P 'un ilk iyonizasyon enerjisi
mertebesinden enerji vermek gerekecektir ki, serbest P atomu için bu enerji 10,55 eV
mertebesindendir, yani çok büyüktür. Diğer taraftan kristal örgüsü içindeki P
atomunun enerji seviyelerinin serbest P atomununkinden farklı olacağını hemen
söylenebilir.
Gerçek duruma oldukça yakın bir irdeleme şöyle yapılabilir. P' un fazla
elektronu, P çekirdeğindeki fazla pozitif yük ile yaklaşık bir hidrojen atomu gibi
davranır. Buna göre fazla elektronun bağlantı enerjisini ilk yaklaşıklıkla Bohr teorisi
yardımıyla hesaplamak mümkündür. Bilindiği gibi hidrojen atomundaki tek
elektronun bağlantı (iyonizasyon) enerjisi 13,6 eV dur (Floyd 2012).
Fakat izole hidrojen atomu için doğru olan bu değer Si gibi bir atom içinde
daha küçüktür. Bunun iki nedeni vardır. Birincisi, elektronla çekirdek arasındaki
çekme kuvveti ortamın ε dielektrik sabiti ile ters orantılıdır. İkincisi, Her iki yükün
oluşturduğu atomun yarıçapı ε ile doğru orantılıdır. Bohr hidrojen atomu modelinde
yer alan, ortamın dielektrik sabitinin bulunmasına bağlı düzeltme faktörü de hesaba
katılırsa fazla elektronun bağlantı (iyonizasyon) enerjisi için,
2 4
2 2
2 (2.4)ee mEh
yazılabilir. Formülde serbest elektron kütlesi yerine me* efektif elektron kütlesini
kullanmak suretiyle örgünün etkisi de hesaba katılmış olur.
19
Si da me* = 0,2 me, hidrojenin iyonizasyon enerjisi 13,6 eV, Si' un dielektrik
sabiti 11,7 olduğundan denklem 2.4 P 'un Si içindeki fazla elektronunun iyonizasyon
enerjisi için
*
22
1 1 13,6 eV 13,6 0,2 0,02 eV11,7
e
e
mEm
değerini verir.
Bu sonuç fosforun silisyum örgüsü içindeki elektron bağlantı enerjisinin
yaklaşık 530 defa küçülmüş olacağını göstermektedir. Buna benzer bir hesabı
germanyum örgüsündeki fosfor atomu için yapılırsa (me* = 0,1 me ; ε = 15,8)
fosforun fazla elektronunun 1760 defa daha küçük olan E = 0,006 eV luk bir bağlantı
enerjisi ile çekirdeğe bağlı olduğunu buluruz (Floyd 2012).
Yukarıdaki hesapları, örneğin efektif elektron kütlesinin doğrultuya bağlı
olduğunu da göz önüne almak suretiyle, biraz daha iyileştirmek mümkündür. Ancak
burada ışınsal soğurma veya ısısal iyonizasyon deneylerinden elde edilen sonuçlar
vermektedir. Bu sonuçlar;
Tablo 0.1: Si ve Ge içinde 5 değerli vericilerin iyonizasyon enerjileri.
P As Sb
Silisyum 0,045 eV 0,049 eV 0,039 eV
Germanyum 0,0120 eV 0,0127 eV 0,0096 eV
Si ve Ge örgülerine giren tablodaki 5 değerli yabancı atomlar bu Tablo 2.1’
de görüldüğü gibi çok düşük olmayan sıcaklıklarda kolaylıkla iyonize olabilirler ve
örgüye serbest elektronlar kazandırabilirler. Bu nedenle bu 5 değerli atomlara verici
(donor) adı verilmektedir.
20
Kristalin band şeması üzerinde verici bağlantı enerjisi Ed’ yi göstermek için
iletkenlik bandının alt kenarından Ey – Ed kadar aşağıda bir seviye çizmek gerekir.
Verici seviyesi, bandın sürekli yapısından farklı olarak, süreksiz (kesikli)
seviyelerdir. Bundan başka bu seviyeler kristal içinde yabancı atomun bulunduğu
yere bağlı yerel (sınırlandırılmış) seviyelerdir. Ana kristalin band şeması üzerinde
kısa bir çizgi ile gösterilirler, Şekil 2.6.
Şekil 2.6: Verici seviyelerinin band modeli üzerinde gösterimi.
Fosfor, arsenik ve antimon, Si ve Ge içinde, daima ana kristal atomlarından
birinin yerini alarak yerleşir. Yabancı atom için bir başka yerleşme olanağı da, kristal
içindeki ana örgü atomlarını kenarlara iterek araya yerleşme biçimidir, Şekil 2.7
Örneğin Li tek değerli bir atom olmasına karşılık Ge ve Si örgülerine girebilir ve
verici görevi yapabilir (Floyd 2012).
Şekil 2.7: Kristal örgüsü içinde yabancı atomun “yerini alarak” ve “sıkışarak”yerleşmesi.
21
Her iki halde de kristal fazla elektron yani negatif akım taşıyıcı kazanmış
olduğu için kristale n-tipi katkılı yarı-iletken adı verilir.
Si örgüsüne yerini alma yolu ile yerleştirilen yabancı atom eğer 3 değerli ise
(örneğin bor, alüminyum, galyum, indiyum gibi) bu durumda yabancı atomun,
civarındaki 4 Si atomu ile kovalent bağ kurabilmesi için bir elektronu noksan kalır,
Şekil 2.8. Bu elektronu, gerekli enerjiyi harcayarak, yakınlarındaki bir Si - Si
bağından alabilir ve yabancı atomun 4 çift bağı böylece tamamlanabilir.
Bu olay sonuç olarak, kristalin değerlik bandı içinde bir elektron boşluğunun
oluşmasına neden olur. Boşluk, daha önce görüldüğü gibi pozitif bir akım taşıyıcı
olarak kristale iletkenlik kazandırabilir. Bunu sağlayabilmek için örgü içinde bir
elektronun enerjisini yükseltmek gerekir. Bu nedenle 3 değerli yabancı atomlar
bulunan katkılı yarı-iletkene p-tipi yarı-iletken; yabancı atoma da elektron tuttuğu
için alıcı (acceptor) adı verilir.
Pozitif boşluğun, bir fazla negatif yükü bulunan alıcı yakınındaki hareketi,
yine hidrojen atomundaki elektronun hareketine benzer. Yani alıcının iyonizasyon
enerjisi büyük bir doğrulukla daha önce tanımlanan bağıntı ile hesaplanabilir. Alıcı
iyonizasyon enerjisi Ea kesikli bir enerji seviyesidir. Verici seviyesi gibi
sınırlandırılmış bir seviyedir. Ana kristalin band şeması üzerinde Ev nin Ea kadar
üzerinde çizilen kesikli çizgilerle gösterilir (Boylestad 2011).
Şekil 2.8: Alıcı Seviyesinin tanımı.
22
Ea, esas itibariyle bir boşluğun alıcı atomun yakınından ayrılması için
harcanması gereken enerjidir. Serbest kalan boşluk kristalin elektrik iletkenliğine
katkıda bulunacaktır. Bu olayı şu şekilde de gözümüzde canlandırabiliriz. Ea enerjisi
değerlik bandındaki bir elektron tarafından soğurulur. Elektron Ea alıcı seviyesine
çıkar, alıcı seviyesine bağlı olan boşluk değerlik bandına iner ve böylece değerlik
bandında serbest bir boşluk meydana gelir.
Buradan görüleceği gibi, band şeması üzerinde, bir elektronun enerji
kazanması, onun işgal ettiği enerji seviyesinin (iletkenlik bandı doğrultusunda)
yükselmesi demektir. Buna karşılık bir boşluk enerji kazanınca onun seviyesi
(değerlik bandı doğrultusunda) aşağı inmektedir (Boylestad, 2011).
2.4 Katkılı Yarı-iletkenlerde Elektrik İletkenliği
En mükemmel yöntemlerle temizlenmiş bir Si veya Ge örneğinde yabancı
atomların (katkı atomları) yoğunluğunu yüz milyonda bir mertebesine kadar
indirilebilmektedir. Bu saflıkta bir Si kristalinin cm3 de yine de N = NA × (2,33/14) ×
10–11 ≈ 10−12 yabancı atom bulunuyor demektir. Bu yabancı atomların hepsinin 5
değerli bir elementten kaynaklandığını ve oda sıcaklığında bunların hepsinin
iyonlaşmış olduğunu düşünürsek cm3 başına 1012 elektron kristalin iletkenliğine
katkıda bulunabilecek demektir. Bu sayıyı, mutlak saflıkta bir Si kristalinin oda
sıcaklığındaki elektron sayısı ile karşılaştırmak ilginç olacaktır.
* 0, 2 ; ; 1,14 eV alarak,2
ve e F y
Em m E E
3 21,1428 16
8 32 0 ,025227
1 0, 2 9,11 10 1, 38 10 3002, 78 10 cm
2 1, 054 10n e
bulunur. Görülüyor ki 5 değerli yabancı elementlerin, oda sıcaklığında kristale
verdiği serbest elektron sayısı, asal iletkenlik elektronları sayısından yaklaşık 104
defa fazla olmaktadır. Bu sonuç, oda sıcaklığında, asal yarı-iletkenlik gösterebilecek
23
saflıkta bir silisyumun yapılmasının hemen hemen olanaksız olduğunu
göstermektedir.
Aynı hesap Ge için (me* = 0,1 me ; Ey = 0,67 eV) tekrarlanırsa asal iletkenlik
elektronları konsantrasyonunun 1012 mertebesinden olduğu anlaşılır. Buradan,
silisyumdan farklı olarak oda sıcaklığında asal yarı-iletken Ge elde edilebileceği
anlaşılmaktadır. Bu düşüncelerin yalnız verici karakterli yabancı atomlar için değil, 3
değerli alıcı katkı atomları için de doğru olduğu açıktır.
Genel olarak kristal yalnız bir çeşit yabancı atom içermez. İletkenlik,
kristaldeki verici/alıcı oranının değerine göre değişik oranda elektron (n-tipi) veya
boşluk (p-tipi) iletkenliği olabilir. Hangi tür akım taşıyıcı fazla ise buna çoğunluk
taşıyıcısı (majority carrier); diğerine azınlık taşıyıcısı (minority carrier) adı verilir.
Diğer taraftan kristal içindeki her yabancı atomun her sıcaklıkta iyonize
olması gerekmez. İyonize olmayan yabancı atomlar kristalin iletkenliğini
değiştirmez.
İçinde cm3 başına Nd+
sayıda iyonize olmuş verici; Na–
sayıda iyonize olmuş
alıcı bulunan bir katkılı yarı-iletkenin normal halinde, yani elektrostatik bakımdan
yüksüz iken, pozitif ve negatif yük taşıyıcılarının toplamları birbirine eşit olmalıdır
(Demirtürk 2014).
– (2.5)a dn N p N
Na–
ve Nd+
yoğunlukları, Na iyonize olmamış alıcı ve Nd iyonize olmamış
verici yoğunlukları kullanılarak Fermi dağılımı yardımı ile hesaplanabilir. Aşağıdaki
bağıntıları yazmak mümkündür.
.
1 (2.6)1
a F
aE E
a k T
NN
e
.
1 (2.7)1
F d
dE E
d k T
NN
e
24
n ve p tipi için seviye yoğunluğu ifadeleri kullanılarak ve değerlik bandının üst
kenarının enerjisini sıfır noktası olarak almak koşulu ile,
3 32 2
2 2 ( )
1 1 (2.8)2 2
1 1
y F F
a F d F
E E EkT kTe a e d
E E E EkT kT
m kT N m kT Ne ee e
şeklinde yazılabilir. Fermi enerjisi EF‘ yi bu bağıntıdan hesaplamak çok zordur.
Ancak özel ve pratikte karşılaşılan bazı basit hallerde bu mümkün olur. Aksi takdirde
sayısal yöntemlere başvurmak gerekir.
2.5 p-n Eklemlerinin Elektriksel Özellikleri
Farklı atomlarla katkılandırılmış iki yarı-iletken malzeme yüzeyleri temas
edecek biçimde bir araya getirilirse bir p-n kavşağı meydana getirilir. Elektron ve
boşluklar sahip oldukları ısısal enerji nedeniyle hareket ederler. Bu hareket sonucu
iki malzemenin yüz yüze geldiği kısımda (kavşakta) n tipi malzemenin negatif yüklü
elektronları ile p tipi malzemenin pozitif yüklü boşlukları birbirleri ile etkileşirler ve
yeniden-birleşmiş (recombination) olurlar. Böylece bu bölge elektrik yükü
bakımından yüksüz bölge haline gelir. Elektronların ve boşlukların, enerji açısından
aşamayacakları genişliğe gelince bu yüksüz bölgenin oluşması durur. Elektrikçe
yüksüz olan bu bölgeye arınma bölgesi (katmanı = tabakası) (depletion layer) adı
verilmiştir. Bu durum aşağıdaki Şekil 2.9’ da gösterilmektedir (Boylestad, 2011).
Şekil 2.9: p-n kavşağının oluşturulması ve arınma bölgesinin meydana gelişi.
25
Arınma bölgesi elektronlar ve boşluklar için bir enerji engeli gibi davranır.
Öyle ki ne elektronlar ne boşluklar bu enerji engelini aşarak karşı tarafa geçemezler.
Dolayısıyla eklem arınma bölgesi oluştuktan sonra kararlı duruma ulaşır. Bu nedenle,
bu enerji engeline “potansiyel engeli” (potential barrier) ya da “ön-gerilim bölgesi”
adı verilmiştir. Boşlukların p tipi taraftan n tipi tarafa; elektronların n tipi taraftan p
tipi tarafa geçebilmeleri için bu potansiyel engelini aşacak enerji dışarıdan bir
kaynaktan, örneğin bir emk kaynağından, onlara kazandırılmalıdır. Ancak bu kez de
n veya p tarafının hangi tür gerilime bağlanacağı önem kazanır.
2.6 p-n Ekleminin Doğru Beslenmesi
Bir p-n kavşağının iki tarafının bir emk kaynağının uçlarına bağlanması
eylemine besleme (bias) adı verilir. Eğer kavşağın n tarafı emk kaynağının negatif
terminaline, p tipi tarafı pozitif terminaline bağlanırsa bu besleme türü Doğru (İleri)
Besleme (Forward Bias) olarak adlandırılır (Floyd 2012).
Şekil 2.10: Bir p-n kavşağının doğru beslenmesi.
26
Elektrik alandan enerji kazanan boşluklar potansiyel barajını n tarafına doğru
aşarak negatif gerilim yönünde; elektronlar ise engeli p tarafına doğru aşarak pozitif
gerilim yönünde hareket ederek elektrik akımının devre boyunca tamamlanmasına
neden olurlar. Devreden geçen toplam akım elektron ve boşluk akımlarının
toplamına eşittir.
Şekil 2.10 dan görüleceği gibi doğru besleme durumunda elektronlar p
tarafına doğru hareketlenerek elektrik alandan enerji kazanırlar ve potansiyel engelini
aşarak p tarafında hareketlerine devam ederler. Benzer şekilde p tarafındaki boşluklar
da elektrik alandan kazandıkları enerji ile potansiyel barajını aşıp n tarafında
hareketlerine devam ederler. Böylece hem elektronlar hem de boşluklar elektrik
akımının oluşmasına katkıda bulunurlar. Dolayısıyla devreden geçen akım için
(2.9)toplam elektron boşluki i i
yazılabilir.
Elektrik alan arttırılırsa, başka bir deyişle kavşağın uçlarına uygulanan
gerilim arttırılırsa, akım taşıyıcılarının enerjileri artacağından daha çok sayıda
elektron ve boşluk potansiyel engelini aşacağından devreden geçen akım şiddeti hızla
artacaktır. Bu durum Şekil 2.11 deki akım-gerilim karakteristiğinde gösterilmiştir.
Şekil 2.11: Doğru beslenmiş bir Si; p-n kavşağının akım-gerilim karakteristiği.
27
2.7 p-n Ekleminin Ters Beslenmesi
Bir p-n kavşağına gerilim, n tarafı negatif, p tarafı pozitif olacak şekilde
uygulanırsa fiziksel olaylar tamamen değişir, (Şekil 2.12).
Şekil 2.12: Bir p-n kavşağının ters besleme ile beslenmesi.
Pozitif yüklü boşluklar negatif gerilime bağlı elektroda doğru; negatif yüklü
elektronlar ise pozitif gerilime bağlanmış elektroda doğru hareket ederler ve arınma
bölgesi genişler. Akım taşıyıcıların hemen tamamına yakını yeterli enerjiye sahip
olmadıklarından bu genişlemiş potansiyel engelini aşamazlar ve devreden akım
geçmez (Floyd 2012).
p tarafındaki akım taşıyıcılar olan elektron boşlukları pozitif yüklüdür, oysa p
tarafı elektro motor kaynağının negatif tarafına bağlı olduğundan boşluklar bu
elektroda doğru hareketlenirler. Diğer taraftan n tarafındaki negatif yüklü akım
taşıyıcıları elektronlar da n tarafı pozitif gerilime bağlı olduğundan bu elektroda
doğru hareketleneceklerdir. Bunun sonucu doğal olarak kavşak bölgesindeki arınma
tabakası genişleyecektir, bu durum Şekil 2.12’ de gösterilmektedir. Bunun anlamı p
ve n tipi malzeme kavşağındaki potansiyel barajının değerinin artmasıdır.
Dolayısıyla akım taşıyıcılar bu engeli aşmak için daha yüksek enerjilere
çıkarılmalıdır. Bu enerji akım taşıyıcılara sağlanamadığından akım taşıyıcılar engeli
aşıp hareketlerine devam edemezler ve elektrik akımı oluşamaz. Başka sözlerle, bir
28
p-n kavşağı bu şekilde, ters beslendiğinde, devreden elektrik akımının geçmemesine
neden olan bir devre elemanı gibi davranacaktır.
Elektronların veya boşlukların hepsinin aynı enerjide olmaları mümkün
değildir. Belli bir istatistiğe dayalı olarak çeşitli enerjilerde akım taşıyıcıları
bulunacaktır. Bunlardan yüksek enerjiye sahip olanlardan bazıları arınma
bölgesindeki enerji engelini aşarak diğer bölgeye geçiş yapabilir. Dolayısıyla bunlar
bir akım oluşmasına neden olabilirler. Ancak istatistiksel olarak böylesine yüksek
enerjiye sahip olan akım taşıyıcılarının sayısı çok çok az olduğundan devreden
geçecek akım da çok çok küçük olacaktır. O halde bir p-n kavşağı ters beslendiğinde
çok küçük olsa da bir akımın devreden geçmesi yarı-iletken kavşaklarda
beklenmelidir. Buna göre bir p-n kavşağının ters besleme durumundaki akım-gerilim
karakteristiği Şekil 2.13 deki gibi olacaktır.
Şekil 2.13: Ters bağlanmış bir p-n kavşağının akım-gerilim diyagramı.
Şekil 2.11 ile 2.13 ün karşılaştırılmasından görülür ki, düz besleme halinde
devreden geçen akım mA mertebesinde iken ters bağlama halinde µA
mertebesindedir. Pratik olarak bu nedenle p-n kavşağının ters besleme durumunda
akım geçirmediği kabul edilebilir.
Ters besleme geriliminin arttırılması ilginç fiziksel olaylara neden olur. Ters besleme
geriliminin arttırılması ters elektrik alanın arttırılması anlamı taşır. Elektrik alan
büyüdükçe elektronların kinetik enerjileri artar ve elektronların çarpışmaları artar. Bu
çarpışmalar sırasında elektronların birbirlerine aktardıkları enerji artar. Enerjileri
eklemin yapıldığı yarı-iletken malzemenin yasak enerji aralığı değerini aşan
elektronlar bundan sonra değerlik bandından iletkenlik bandına sıçramaya başlarlar
29
ve bunların sayısı hızla artar. Böylece iletkenlik bandındaki elektron sayısı giderek
arttığından devreden geçen ters yönlü akım da hızla artar. Bu olaya çığ (avalanche)
adı verilir (Demirtürk 2014).
Çığ olayının meydana gelmesine neden olan bir diğer etken de alan kuvveti
olgusudur. Engel bölgesindeki alan kuvveti, ters gerilimin arttırılması ile artar.
Yaklaşık olarak 106 V/cm nin üzerindeki alan değerlerinde, alan kuvveti, elektronları
değerlik bandından alarak iletkenlik bandına çıkartmaya başlar. Böylece iletkenlik
bandındaki serbest taşıyıcı sayısı hızla artar ve geçen akım şiddeti çok hızlı biçimde
fazlalaşır.
Akım şiddetinin artması p-n kavşağının ohmik direnci üzerinde oluşan i2R
elektriksel gücünün artmasına ve kavşağın hızla ısınmasına neden olur. Akım
şiddetindeki artma çok büyük olduğundan oluşan ısı enerjisi de büyük olur ve kavşak
tahrip olur. Bu tür kavşaklardaki maksimum ters gerilim 10 V ile 10 kV arasında,
geçen ters akım değeri de bir kaç nA ile bir kaç A arasında değişir.
2.8 p-n Ekleminin Yapılışı
p-n Kavşakları difüzyon tekniği veya ince film teknolojisi kullanılarak
yapılabilmektedir. Difüzyon tekniğinde n tipi veya p tipi malzeme başlangıç
malzemesi olarak seçilir. Örneğin n tipi malzeme başlangıç olarak seçilmiş ise bu
malzeme bir metal taban üzerine yerleştirilir, Şekil 2.14 p tipi malzeme n tipi
malzeme üzerine konarak malzemenin difüze olabileceği sıcaklıkta uzun süre
bekletilir. Böylece p tipi malzemenin n tipi malzeme içine difüze olması sağlanır.
Daha sonra p tipi malzeme üzerinde gümüş boya, buharlaştırma veya ultrasonik
çekiç yöntemlerinden biri kullanılarak ikinci metal kontak hazırlanır (Boylestad
2011).
30
Şekil 2.14: Bir p-n kavşağının yapısı.
İnce film teknolojisinde ise metal taban üzerine ince film halinde n tipi yarı-
iletken vakum buharlaştırma tekniği ile kaplanır. Belirli maskeler kullanılarak ikinci
kez p tipi malzeme n tipi malzemenin üzerine yine buharlaştırma tekniği kullanılarak
kaplanır ve p-n kontağı oluşturulur. Bunu takiben p tipi malzeme üzerine yine belirli
maske yapıları kullanılarak metal buharlaştırması ile p tarafının metal kontaktı
hazırlanır. İnce film teknolojisi ile çok küçük bir alana yüzlerce hatta binlerce p-n
kavşağı yapmak mümkündür.
Şekil 2.15: İnce film teknolojisi ile yapılmış p-n kavşakları.
31
2.9 p-n Ekleminin Elektriksel Davranışı
Bir p-n kavşağı düz beslenirse elektrik akımını geçirmekte, ters beslenirse
elektrik akımını geçirmemektedir. Buna göre, uygulanan gerilimin pozitif ve negatif
bileşenleri varsa, örneğin uygulanan gerilim sinüzoidal gerilim ise, p-n kavşağı p
pozitif, n negatif olduğu sürece devreden akımın geçmesine izin verecek, p negatif, n
pozitif olduğu sürece devreden akım geçmesine engel olacaktır. Bir doğru akım
devresinde ise p pozitif, n negatif gerilime bağlı ise devreden akım geçecek; tersi ise
p-n kavşağının bulunduğu koldan akım geçmeyecektir. Akımın devrede tek yönlü
olarak geçmesine olanak veren bu düzeneklere diyot adı verilmiştir. O halde bir p-n
kavşağı elektronik olarak bir diyot karakteri taşır (Boylestad, 2011).
Şekil 2.16: Alternatif gerilim uygulanmış bir diyotun giriş ve çıkışındaki gerilimler.
Şekil 2.16 da görüldüğü gibi alternatif gerilimin negatif alternansları
kaybolmuştur. Başka bir deyişle bu anlarda devreden akım geçmemektedir.
32
Şekil 2.17: Bir diyotun akım-gerilim karakteristikleri ileri besleme halinde devredenakım geçerken, ters besleme durumunda devreden akım geçmemektedir.
Diyotun uçlarına uygulanan gerilime bağlı olarak üzerinden geçen akımın
değişmesini gösteren bu eğrilere akım-gerilim (I–V) karakteristikleri denir. Şekil
2.18 de Si diyotun ideal, pratik ve gerçek diyot modellemelerinin (I-V) grafikleri
görülmektedir (Floyd 2012).
Şekil 2.18: Si diyotun ideal, pratik ve gerçek diyot modellemelerinin (I-V) grafikleri.
33
2.10 Yarı-iletken Diyot
Bir yarı-iletken diyot sembolü Şekil 2.19 da gösterilmiştir.
Şekil 2.19: Bir diyotun elektrik devresindeki kullanım sembolü.
Okun yönü devreden akım geçiş yönünü gösterir. Doğal olarak elektron
hareketi bunun tersi yöndedir (kesik çizgili ok). Diğer bir deyişle elektrik akımının
dolanma yönü aynı zamanda pozitif yüklerin dolanma yönüdür.
Okun ucu devreden geçen akımın yönünü gösterir. İki terminalli bir
elektronik devre elemanı olan diyotun bu terminalleri anot ve katot olarak
adlandırılabilir. Diyot ileri beslendiğinde (Şekil 2.20.a) akım anottan katoda doğru
akar. Oysa diyot Şekil 2.20.b deki gibi ters beslendiğinde devreden çok çok küçük
bir akım geçer. Pratik olarak bu, devreden akım geçmiyor olarak kabul edilir (Floyd
2012).
Şekil 2.20: Bir diyotun ileri ve ters beslenmesi, a) ileri besleme, b) ters besleme.
Şekil 2.21 de ise uygulamada kullanılan diyot tipleri ve bunların ayak
bağlantıları tanımlanmıştır.
34
Şekil 2.21: Uygulamada kullanılan çeşitli diyot tipleri.
2.11 Zener Diyot
Zener diyot voltaj regülasyonu ve genel amaçlı doğrultucu diyot olarak güç
kaynağı uygulamalarında geniş biçimde kullanılır. Zener diyotun şematik gösterilişi
Şekil 2.22 de verilmiştir (Demirtürk 2014).
Şekil 2.22: Zener diyotun sembolü ve genel zener diyot karakteristiği.
Zener diyot bir p-n kavşak düzeneği olup ters besleme durumundaki kırılma
(breakdown) olgusu nedeniyle doğrultucu diyotlardan farklılık gösterir. Bir zener
35
diyotun kırılma voltajı, yapım aşamasında katkıların miktarının ayarlanması ile
kolayca kontrol edilebilir. Şekil 2.22 (b) deki diyot karakteristiğinden de görüleceği
gibi, diyot ters besleme durumunda yıkılmaya uğradığında uçlarındaki gerilim sabit
kalır, ancak geçen akım hızla artar.
Bir zener diyot iki tür ters kırılma (reverse breakdown) olayı vardır. Bir tanesi
daha önce bahsedilen çığ (avalanche) yıkılması olup yeteri kadar yüksek ters gerilim
uygulandığında doğrultucu diyotlarda da gözlenir. Diğer tür, zener kırılması (zener
breakdown) olup zener diyotlarda alçak ters gerilimlerde meydana gelir. Bir zener
diyot kırılma voltajını düşürmek için aşırı katkılandırılır (doping). Yüksek
katkılandırma arınma tabakasının (depletion layer) çok ince olmasını sağlar. Bunun
sonucu olarak küçük gerilimlerde bile arınma tabakası üzerinde şiddetli elektrik alan
oluşur. Kırılma voltajı VZ yakınlarında elektrik alan, değerlik bandından elektronları
iletkenlik bandına çekebilecek kadar güçlü olduğundan akım hızla artmaya başlar.
5 V dan daha küçük yıkılma voltajına sahip zener diyotlarda zener yıkılması
egemendir. 5 V dan daha büyük yıkılma gerilimine sahip zener diyotlarda ise
genellikle çığ yıkılması meydana gelir (Floyd 2012). Ticari olarak 1,8 V ile 200 V
luk zener gerilimine sahip diyotları piyasada bulmak mümkündür.
Şekil 2.23: Zener diyotun ters besleme karakteristiği.
36
Şekil 2.23 zener diyot karakteristiğinin ters besleme bölgesini göstermektedir.
Görüleceği gibi ters gerilim VR arttırıldığında ters akım IR, eğrinin diz kısmına kadar
oldukça küçük miktarda artar. Bu noktada yıkılma etkisi ortaya çıkar, rZ zener direnci
azalırken IZ zener akımı artmaya başlar. Dizin alt tarafında genellikle VZ zener
gerilimi hemen hemen sabit kalır. Bu regülasyon kabiliyeti zener diyotun anahtar
özelliğidir. Böylece zener diyot uçlarındaki gerilim, belli bir ters akım limitleri
içinde, sabit kalır.
Bir minimum IZK ters akımı diyotu regülasyon durumunda tutmak için
gereklidir. Bu akımdan daha küçük akım regülasyon durumunun bozulmasına neden
olur. Her diyot için karakteristik olan bir maksimum IZM maksimum akım şiddeti
vardır. Diyottan bu akım şiddetinden daha büyük şiddette akım geçmesi zener
diyotun tahrip olmasına neden olur. Dolaysıyla bir zener diyot IZK ile IZM akımları
arasında regülatör görevini yapar (Boylestad, 2011).
Şekil 2.24: Zener diyot eşdeğer devresi ve ters besleme karakteristiğinindeğerlendirilmesi.
Şekil 2.24 bir zener diyot için ideal ve gerçek eşdeğer devreleri
göstermektedir. Görüleceği gibi zener, elektro motor kuvveti zener gerilimine eşit bir
batarya gibi davranmaktadır. İdeal durumda bu bataryanın iç direnci sıfır, gerçek
37
durumda ise rZ dir. Burada rZ zener diyot direncine eşittir ve Şekil 2.24’ ün (c)
kısmında
/ (2.10)Z Z Zr V I
şeklinde tanımlanmıştır. Normalde rZ belli bir IZT zener test akımına göre tanımlanır.
Ancak birçok halde rZ değeri, tüm ters akım aralığında hemen hemen sabit kalır.
Her bir ºC başına zener voltajında meydana gelen yüzde değişmeye sıcaklık
katsayısı denir. Örneğin 12 V’ luk bir zener diyot için sıcaklık katsayısı % 0,1 ºC–1
ise, sıcaklık 1 ºC arttığında VZ gerilimi 0,012 V artış gösterir. Bir zener diyot için
zener voltajında sıcaklığa bağlı olarak meydana gelecek değişme,
(2.11)V V T T Z Z KΔ Δ
formülü ile hesaplanabilir (Floyd 2012).
Burada VZ oda sıcaklığında (25 ºC) nominal zener voltajı, TK sıcaklık
katsayısı, T sıcaklıktaki değişmedir. Pozitif TK sıcaklık arttıkça zener geriliminin
artacağına; negatif TK ise sıcaklık arttıkça zener geriliminin azalacağına işaret eder.
2.11.1 Değişken Giriş Gerilimine Karşılık Çıkış Geriliminin
Regülasyonu
Zener diyotlar voltaj regülasyonu için oldukça geniş biçimde kullanılırlar.
Şekil 2.25: Zener diyot kullanılarak yapılan voltaj regülasyonu.
38
Şekil 2.25 bir zener diyotun, değişken DC giriş gerilimini nasıl regüle ettiğini
açıklamaktadır. Buna giriş veya hat regülasyonu adı verilmiştir. Giriş geriliminin,
kullanılan zenerin limitleri arasında kalmak koşulu ile değişmesine karşılık zenerin
uçlarındaki çıkış gerilimi sabit kalmaktadır. Giriş gerilimi değiştiğinde doğal olarak
bununla orantılı biçimde IZ de değişir. Ancak bu akım değişmesi kullanılan diyot için
belirli olan minimum ve maksimum değerleri arasında kaldığı sürece zener çıkış
gerilimini regüle edecektir. Şekil 2.26 da ki seri R direnci akım ayarlama direncidir.
Şekil 2.26: Değişken girişin zener diyot ile regüle edilmesi.
2.11.2 Değişken Yüke Karşılık Çıkış Gerilimi Regülasyonu
Şekil 2.27: Değişken yük kullanılan devrede zener regülasyonu.
Şekil 2.27 çıkış uçlarında değişken yük direnci bulunan bir devrede zener
regülasyonunu göstermektedir. Zener diyot; zener akımı IZM den küçük, IZK dan
büyük olduğu sürece, RL yükü uçlarındaki gerilimi sabit tutar. Bu nedenle bu eyleme
yük regülasyonu denir (Demirtürk 2014).
39
Çıkış terminali açık devre olduğunda (RL = ) yük akımı sıfır olup, akımın
tümü zener diyottan geçer. Yük direnci bağlandığında akımın bir kısmı zener
diyottan bir kısmı yük direncinden geçecektir. RL azaltıldığında IL artar, IZ azalır;
tersine eğer RL arttırılırsa IL azalır, IZ artar. Zener diyot IZ akımı IZK minimum
değerine azalıncaya kadar regüle eylemine devam eder. Bu durumda yük akımı
maksimum değerine ulaşmış demektir (Floyd 2012).
Bir voltaj regülatörünün performansını belirleyen sayı yüzde regülasyon
kavramıdır. Bu kavram hat veya yük regülasyonuna göre tanımlanır. Yüzde hat
(giriş) regülasyonu, verilen bir giriş gerilimi değişikliğine göre ne kadar çıkış
gerilimi değişmesi olduğunu anlatır. Bu genellikle giriş gerilimi 1 V değiştiğinde
çıkış gerilimindeki % değişme olarak söylenir. Yüzde yük regülasyonu, belirli
miktar yük akımı değiştiğinde çıkış geriliminde ne kadar değişme olduğunu anlatır.
Bu akım aralığı genel olarak yüksüz durumdaki minimum akım ile tam yüklü
durumdaki maksimum akım aralığı olarak seçilir. Yüzde yük regülasyonu,
çıkış yüksüz çıkış tam yüklü
çıkış tam yüklü
% yük regülasyonu 100 (2.12)V
V V
bağıntısı ile hesaplanabilir (Floyd 2012).
2.12 Transistör
Transistör 1947 yılında, Bell Laboratuvarlarında John Bardeen, Walter
Brattain ve William Shockley tarafından keşfedilmiştir. O günden bu güne daha
küçük, daha hafif, daha etkin, daha karmaşık ve daha ucuz devre ve sistemler
yönünde gelişmeler meydana gelmiştir ve devam etmektedir. Transistör
teknolojisinin gelişmesine bağlı olarak yakın zamanda gelişen devrim sayılabilecek
bir diğer gelişme de entegre devreler olarak söylenebilir.
Kavramsal olarak başlıca iki tip transistör bulunmaktadır. Bunlarda bir tanesi
Çift Kutuplu Eklem Transistörleri (Bipolar Junction Transistors) (BJT); diğeri ise
Alan Etkili Transistör (Field Effect Transistors) (FET) ler dir. Bipolar transistörler
bir elektrik sinyalinin yükseltilmesinden elektronik anahtarlamaya kadar çok geniş
40
alanlarda kullanılmaktadır. Transistörlerin yükselteç özellikleri süper heterodyne
alıcılar dâhil birçok sistemde yer almaktadır.
Çoğu alıcıda anten yardımı ile alınan çok çok küçük voltaj sinyallerinin
yükseltilmesi kaçınılmazdır. Bu, transistörlerin RF (radyo frekans) devrelerindeki
fonksiyonudur. Çoğu alıcılarda kullanılan mixer devrelerinde modüle edilmiş RF
sinyallerinin daha fazla yükseltilmesi gerekir. Ses ve güç yükselticilerinde,
hoparlörleri çalıştırabilecek yeterli seviyede sinyal elde edebilmek için yine
transistörler kullanılır (Floyd 2012).
2.12.1 Transistör Yapısı
Bipolar kavşak transistörü, birbirinden iki pn kavşağı ile ayrılmış,
katkılandırılmış üç yarı-iletken bölgeden yapılmıştır. Bu üç bölge “yayıcı” (emitter),
“taban” (base) ve “toplayıcı” (collector) olarak adlandırılmıştır. Şekil 2.28 de iki tip
bipolar kavşak transistörünün yapısı gösterilmiştir.
Şekil 2.28: pnp ve npn transistör yapıları.
Bunlardan bir tanesi npn dizilmesi, diğeri ise pnp dizilmesi ile
oluşturulmuştur. Base bölgesi ile emitter bölgesi arasındaki pn kavşağına base-
emitter kavşağı denir. Base bölgesi ile collector bölgesi arasındaki pn kavşağı da
base-collector kavşağı olarak bilinir. Bu bölgelerin her birine bir tel bağlantısı
yapılmıştır. Bu bağlantılar, emitter için E, base için B ve collector için C ile
41
gösterilmiştir. Base, az katkılandırılmış malzemeden yapılmıştır ve aşırı
katkılandırılmış emitter ve collector bölgelerine göre çok daha incedir. Şekil 2.29 da
npn ve pnp bipolar transistörlerin sembolleri gösterilmiştir.
Şekil 2.29: npn ve pnp transistörlerin yapısı ve sembolleri.
Bipolar terimi, transistörün çalışması esnasında hem elektronların hem de
boşlukların (hole) akım taşıma mekanizmasında yer alması nedeniyle kullanılmıştır.
Bir transistörün yükseltici olarak çalışması için iki pn kavşağı, dış voltaj
kaynakları ile doğru biçimde beslenmelidir. Bir transistörün çalışma ilkesini
açıklamak için bu çalışmada npn transistör model olarak alınacaktır. Aynı şeyler pnp
transistör için de geçerlidir, ancak elektron ve boşlukların rolleri, besleme polariteleri
ve akım doğrultuları tamamen ters olarak alınmalıdır. Şekil 2.30 belirli bir
düzenleme için npn ve pnp transistörlerin beslenme koşullarını göstermektedir.
Dikkat edileceği gibi her iki halde de base-emitter BE kavşağı düz, base-collector BC
ters beslenmiştir (Boylestad 2011).
Şekil 2.30: Bipolar transistörlerin beslenmesi.
42
Emitterden base bölgesine düz besleme BE arınma tabakasını daraltır, baseden
collectore ters besleme BC arınma tabakasını genişletir. n tipi emitter bölgesi sahip
olduğu elektronları kolayca BE kavşağından p tipi bölgeye, düz beslenmiş diyotta
olduğu gibi, difüze eder. Base bölgesi hafifçe katkılandırıldığından ve çok ince
olduğundan kısıtlı sayıda elektron boşluğuna (hole) sahiptir. Bu nedenle elektronların
çok az bir yüzdesi BE kavşağını geçebilir ve küçük IB akımını oluşturur (Şekil 2.31
b).
Emitterden base bölgesine akan elektronların çoğu BC arınma tabakasına
difüze olurlar. Bir kere bu tabakaya girdiklerinde pozitif ve negatif iyonların
oluşturduğu çekim alanlarından etkilenerek BC eklemini geçerler. Elektronların, BC
ekleminin öte tarafındaki pozitif iyonlar tarafından da çekildiği açıktır. Bu, şeklin (c)
kısmında gösterilmiştir. Şimdi artık elektronlar collector bölgesinde hareket
etmektedirler. Hareketlerine devam ederek collector ucundan besleme kaynağının
pozitif terminaline girerler ve yollarına devam ederler. Bu hareket sonucu IC
collector akımı oluşur. Kolayca görüleceği gibi collector akımı collector
geriliminden bağımsızdır, buna karşılık base akımına doğrudan bağlıdır (Boylestad
2011).
43
Şekil 2.31: Bipolar npn transistör çalışma ilkesi. a) düz-ters beslemede npn transistöriçindeki yaklaşım, b) emitter - base kavşağında elektron akışı, c) Base - kollektörkavşağında elektron.
Bir npn transistör için akım yönleri Şekil 2.32 de gösterilmiştir. Transistörün
emitteri üzerindeki okun yönü akım yönüdür. Buna göre emitter akımı base akımı ile
collector akımının toplamından oluşmaktadır (Demirtürk 2014).
(2.13)E C BI I I
IB base akımı çok küçüktür.
44
Şekil 2.32: Transistör akım yönleri.
2.12.2 Transistör Parametreleri
Bir npn veya pnp transistör Şekil 2.33 da ki gibi gerilim kaynaklarına
bağlanırsa, base-emitter kavşağındaki düz besleme gerilimi VBB, base-collector
eklemindeki ters besleme gerilimi VCC gerilimi olarak adlandırılır.
Collector akımı IC nin base akımı IB ye oranına akım kazancı denir ve βDC ile
gösterilir.
(2.14)CDC
B
II
βDC nin tipik değerleri 20 ile 200 arasında olup daha büyük değerler de alabilir.
Bu değer transistör veri tablolarında hFE ile tanımlanır.
Collector akımı IC nin emitter akımı IE ye oranı ise αDC ile gösterilir.
(2.15)CDC
E
II
Bu değer tipik olarak 0,95 ile 0,99 arasında değişir.
45
Şekil 2.33: Transistör besleme devreleri.
αDC ile βDC arasında aşağıdaki yöntemle bir bağıntı türetilebilir. IE = IC + IB
eşitliğinde her terim IC ile bölünerek,
1 (2.15)
ve (2.16)
CE B B
C C C C
C CDC DC
B E
II I II I I II II I
olduğundan denklem,
DC
1 11 (2.17)1
DCDC
DC DC
haline gelir. (2.17) denklemi, eğer βDC biliniyorsa αDC nin hesaplanmasına olanak
verir. (2.17) bağıntısı basit bir cebir işlemi ile,
(2.18)1
DCDC
DC
haline getirilebilir.
Transistör devresinin analizi için Şekil 2.34 deki devre kullanılabilir.
46
Şekil 2.34: Transistör devre analizi.
RB nin uçlarındaki potansiyel farkı,
– – 0 (2.19)BB BEBB B B BE B
B
V VV I R V IR
değeri elde edilir. (2.16) denkleminden emitter akımı için, [IE = IC / αDC], ve collector
akımı için, [IC = βDC × IB] , yazılabilir. RC üzerindeki gerilim düşmesi, [VRC = IC ×
RC] şeklindedir.
emittere (toprağa) göre collector voltajı,
– (2.20)CE CC C CV V I R
Collector-base voltajı ise,
– (2.21)CB CE BEV V V
ile hesaplanabilir (Floyd 2012).
npn transistor için ideal DC modeli Şekil 2.35 de ki gibi gösterilir.
47
Şekil 2.35: Transistör için ideal DC modeli.
2.12.3 Collector Eğrileri
Şekil 2.36(a) da ki gibi bir devre kullanılarak IC akımının çeşitli IB akımı
değerlerinde nasıl değiştiğini gösteren takım eğriler elde edilebilir. Bunlara collector
karakteristik eğrileri denir. Şekilden görüldüğü gibi VBB ve VCC nin her ikisi de
ayarlanabilir voltaj kaynaklarıdır.
Şekil 2.36: a) Collector karakteristiklerinin çizilmesi için devre, b) tek bir base akımıiçin elde edilen karakteristik I-V eğrisi.
VBB gerilimi seçilen bir IB akım değeri olacak şekilde ayarlanır ve VCC sıfıra
getirilirse, IC = 0 ve VCE = 0 olacaktır. Bu durumdan başlayarak VCC giderek
arttırılırsa, VCE dolayısıyla IC artmaya başlar. Bu, Şekil 2.36.b) de eğrinin A - B
arasına karşılık gelir (Floyd 2012).
VCE yaklaşık olarak 0,7 V mertebesine ulaştığında base - collector eklemi ters
beslenmiş duruma gelir ve IC, IC = βDC × IB ile belirlenen son değerine ulaşır. Bu
48
noktada IC, VCE artmasına rağmen sabit değerinde kalır. Bu olay, şekilde B
noktasından sonraki kısım olarak ortaya çıkar. Gerçekte, IC, VCE nin artması ile
hafifçe artar. Bunun nedeni VCE nin artması sırasında base-collector arınma
tabakasının genişlemesi, bunun sonucunda base bölgesinde rekombinasyona neden
olacak biraz daha boşluk oluşmasıdır. Seçilen başka IB değerleri kullanılarak deney
tekrarlanırsa farklı IC = f(VCE) eğrileri elde edilerek ele alınan transistör için collector
karakteristik eğri ailesi elde edilir (Şekil 2.37).
Şekil 2.37: Farklı Base akımı değerleri için Collector eğrileri ailesi.
2.12.4 Kesim ve Doyum
IB = 0 olduğunda transistör kesilme (cut off) durumuna gelir. Bu, Şekil 2.38
de base bağlantı ucunun boşta olması ile anlatılmıştır. Bu durumda doğal olarak base
akımı sıfır olmalıdır. Ancak bu koşullarda bile, ısısal olarak uyarılmış taşıyıcılar
nedeniyle bir ICEO sızıntı akımı mevcuttur. Kesilme durumunda hem base-emitter
hem de base-collector eklemleri ters beslenmiş haldedir (Boylestad 2011).
49
Şekil 2.38: Kesilme durumunda collector sızıntı akımı.
Şekil 2.39 da ki devrede base akımı arttırıldığında collector akımı da artar ve
RC üzerinde daha fazla gerilim düşmesi meydana geldiği için, VCE azalır. VCE,
VCE(doyum) denen bir değere ulaştığında base-collector eklemi düz besleme durumuna
gelir ve IB arttırılsa bile IC daha fazla arttırılamaz. Doyum (saturation) noktası olarak
tanımlanan bu noktadan sonra IC = βDC × IB bağıntısı geçerliliğini yitirir. Bir
transistör için VCE(doyum), collector eğrisi dizinin hemen alt tarafında ortaya çıkar ve
silisyum transistörler için bir kaç onda volt mertebesindedir (Floyd 2012).
Transistör parametrelerinden βDC daha yakından incelenmesi gereken önemli
bir parametredir. βDC hem collector akımı ile hem de sıcaklıkla değişir. Eklem
sıcaklığını sabit tutarak collector akımının arttırılması βDC nin maksimum değerine
kadar artmasına neden olur. βDC bu maksimum değere ulaştıktan sonra IC nin
arttırılması βDC nin azalmasına neden olur.
Eğer IC sabit tutulup sıcaklık değiştirilirse, βDC sıcaklıkla doğrudan değişir.
Eğer sıcaklık artarsa βDC de artar. Şekil 2.40 βDC nin tipik bir transistör için IC ve
sıcaklıkla değişimini göstermektedir.
50
Şekil 2.39: Doyum olayının açıklanması.
Transistör de diğer elektronik düzenekler gibi çalışma performansında bazı
kısıtlamalara sahiptir. Yapımcı firmalar tarafından veri kartlarında belirtilen bu
kısıtlamalar maksimum performans veya maksimum rating olarak bilinir. Tipik
olarak maksimum performans Collector-base gerilimi; collector-emitter gerilimi;
emitter-base voltajı; collector akımı ve güç olarak verilir (Floyd 2012).
Şekil 2.40: Çeşitli sıcaklıklarda βDC nin collector akımına bağlı olarak değişmesi.
51
VCE ve IC nin çarpımı belirtilen maksimum güçten daha fazla olmamalıdır.
Benzer şekilde VCE ve IC aynı anda maksimum olmamalıdır. Eğer VCE maksimum ise
IC,
(2.22)maksimumC
CE
PIV
bağıntısından hesaplanabilir. Eğer IC maksimum ise bu sefer VCE benzer şekilde,
(2.23)maksimumCE
C
PVI
Verilen bir transistör için maksimum güç eğrisi, collector eğrisi üzerinde
Şekil 2.41 de olduğu gibi çizilebilir. Bu transistör için değerler Şekildeki tabloda
verilmiştir. Görüleceği gibi transistörün maksimum gücü 0,5 W, VCE(maksimum) = 20 V,
IC(maksimum) ise 50 mA dir. Bu değerler göz önüne alındığında transistör gölgelenmiş
kısımlarda çalıştırılmamalıdır.
Şekil 2.41: Maksimum güç eğrisi.
Pmaksimum genellikle 25 °C için tanımlanmıştır. Daha yüksek sıcaklıklarda
Pmaksimum daha küçük değerlere doğru iner. Veri cetvelleri, 25 °C ın üzerindeki
sıcaklıklarda Pmaksimum hesaplamak için gerekli olan çarpım faktörünü de verir.
Örneğin, azalma faktörünün 2 mW °C–1
, sıcaklığın her 1 °C artmasına karşılık
maksimum gücün 2 mW azalacağını anlatır.
52
2.12.5 Voltaj Yükselticisi Olarak Bipolar Transistör
Bir elektrik sinyalinin genliğinin lineer olarak arttırılması olayı olan
yükseltme bir transistörün en önemli özelliğidir. Daha önce öğrendiğimiz gibi
transistör βDC ile tanımlanan bir akım kazancına sahiptir. Transistör beslendiğinde
BE kavşağı düz beslendiği için alçak direnç; BC eklemi ters beslendiği için yüksek
direnç gösterir. Öte yandan IB çok çok küçük olduğundan IC, IE ye aşağı yukarı
eşittir. Aslında IC her zaman IE' den biraz daha küçüktür. Bu yaklaşım kullanılarak, IE
IC yazılabilir. Bu duruma bağlı kalınarak Şekil 2.42 deki devre incelenecek olursa:
Burada, transistör devresine alternatif olan ve Vg değerinde genliğe sahip bir
gerilim uygulanmıştır. Bu kaynak hem BE besleme gerilimine hem de RC direncine
seri bağlıdır (Floyd 2012).
Şekil 2.42: Alternatif gerilim sinyali ile beslenmiş transistör ve eşdeğer devresi.
Doğru gerilim kaynağı, alternatif kaynağa göre kısa devre gibi
görüneceğinden devrenin eşdeğeri şekildeki gibi olacaktır. Düz beslenmiş base-
emitter eklemi AC ye göre alçak direnç durumunda olacaktır. Bu AC direnç şekilde re
ile gösterilmiştir. AC emitter akımı için,
(2.24)ge
e
VI
r
yazılabilir. IC IE olduğundan, RC direnci uçlarındaki çıkış gerilimi, Vç = Ie × RC
olacaktır. Çıkış geriliminin giriş gerilimine oranına AC voltaj kazancı denir ve
(2.25)çV
g
VA
V
53
şeklinde ifade edilir. Vç ve Vg değerleri yerlerine yazılarak,
(2.26)ç e C CV V
g e e e
V I R RA AV I r r
elde edilir. Bu ifade, Şekil 2.42 deki transistörün, RC ve re değerlerine bağlı olarak bir
yükseltme veya voltaj kazancı sağladığını göstermektedir. Bu bağıntılarda küçük harf
olan indislerin alternatif değerleri gösterdiğine dikkat edilmelidir (Demirtürk 2014).
2.12.6 Anahtar Olarak Bipolar Transistör
Transistörlerin ikinci önemli uygulama alanları anahtarlama uygulamalarıdır.
Bir transistör elektronik anahtar olarak kullanıldığında sırayla kesilme ve doyum
konumlarında çalıştırılır. Şekil 2.43 bir transistörün anahtar düzeneği olarak
kullanılmasını göstermektedir.
Şekil 2.43: Transistörde ideal anahtarlama işlemi. a) transistör kesim durumunda, b)transistör doyum durumunda.
Şekil 2.43’ ün a) kısmında transistör kesilme durumundadır, çünkü base-
emitter eklemi ileri beslenmemiştir. Bu koşullarda collector-emitter arası ideal açık
devre halindedir. b) kısmında transistör doyum durumundadır, çünkü base-emitter
eklemi düz besleme halindedir ve base akımı collector akımını satürasyona
ulaştıracak yeterli büyüklüktedir. Bu durumda collector ile emitter arasında ideal bir
kısa devre var demektir. Aslında, bir kaç onda volt mertebesinde bir gerilim düşmesi
olması kaçınılmazdır, ancak bu ihmal edilebilir büyüklüktedir.
a b
54
Daha önce açıklandığı gibi, base-emitter eklemi düz besleme durumunda
olmadığı zaman transistör kesilme durumundadır. Tüm akımlar yaklaşık olarak
sıfırdır ve VCE yaklaşık olarak VCC ye eşittir.
( ) (2.27)CE kesim CCV V
Emiter eklemi ileri beslendiğinde, maksimum collector akımını oluşturacak
yeterli base akımı var demektir ve transistör doyum halindedir. Doyum halinde VCE
yaklaşık olarak sıfır olduğundan collector akımı,
( ) (2.28)CCC doyum
C
VIR
dir. Doyumu oluşturmak için gerekli base akımı ise,
( )(min ) (2.29)C doyum
B imumDC
II
dir.
2.12.7 Sızıntı Akımının Ölçülmesi
Bütün transistörlerde ihmal edilebilecek mertebede olmak üzere çok küçük
bir sızıntı akımı mevcuttur. Bir transistör Şekil 2.44 de ki gibi, base' i açık devre
olacak şekilde bağlanırsa kesim durumunda çalışıyor demektir. İdeal olarak IC = 0
olmalıdır. Ancak daha önce de açıklandığı gibi collectorden emittere doğru çok
küçük de olsa bir akım akar. Bu akım ICEO akımı olarak tanımlanmıştır. Sızıntı akımı
silisyum transistörler için nA mertebesindedir. Hatalı transistörde bu akım oldukça
büyük olacağından bir transistör test aleti ile kolayca test edilebilir (Floyd 2012).
55
Şekil 2.44: Sızıntı akımı ölçmeleri için devreler.
2.12.8 Kazanç Ölçmeleri
Transistör test aletleri sızıntı akımı yanında βDC faktörünü de test eder.
Bilinen bir IB değeri uygulanarak IC değeri ölçülerek IC / IB değeri hesaplanabilir
veya test aletinin üzerinden doğrudan okunur. Birçok test cihazı test konumunu
bozmadan doğrudan βDC değerini gösteren düzeneklere sahiptir.
2.12.9 Eğri Çiziciler
Eğri çiziciler (curve tracer) osiloskop türü aygıtlar olup bir collector eğrileri
ailesi biçiminde transistör karakteristiklerini gösterirler. Bu aygıtlarda çeşitli ölçü ve
transistör karakteristiklerinin yanında diyot eğrileri ve βDC değerleri de elde
edilebilir.
2.12.10 Transistör Paketlerinin ve Terminallerinin Tanınması
Çeşitli uygulamalarda kullanılan çok değişik transistörler için oldukça geniş
türde paket tipi geliştirilmiştir. Alçak ve orta güç transistörleri için genellikle daha
küçük metal veya plastik kılıflar kullanılırken, güç transistörleri soğutuculu kılıflara
konmuştur. Yine yüksek frekans transistörleri için farklı paket yapıları kullanılmıştır.
Şekil 2.45 de sık kullanılan transistör paket yapılarından ve ayak (terminal)
yapılarından bazıları gösterilmiştir (Floyd 2012).
56
Şekil 2.45: Transistörlerin paket ve ayak (terminal) yapılarından bazıları.
12 3
1 Emitter
2Bas
3 Collector
TO–922 Emitter
1Bas
3 Collector
12
3
SOT–1 Emitter
2Bas
3 Collector
3 21 TO–
C
E
B
TO–
BCE
C
TO–220AB
EC
B
TO–225AA
57
3 ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖRLER
Alan Etkili Transistörler (Field Effect Transistor, FET) unipolar (tek taşıyıcılı)
transistörlerdir, çünkü bipolar transistörlerin aksine FET’ ler de yalnızca çoğunluk
taşıyıcıları işlev yapar. FET’ lerin,
1) Alan Etkili Eklem Transistörler (Junction Field Effect Transistors, JFET) ve
2) Alan Etkili Metal Oksit Yarı-iletken Transistörler (Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistors, MOSFET)
olmak üzere iki ana grubu bulunmaktadır.
Bipolar transistörlerin akım kontrollü düzenekler olduğunu bilinmektedir,
çünkü base akımı kolektör akım miktarını kontrol eder. JFET’ ler ise voltaj kontrollü
düzeneklerdir. Öyle ki, terminallerden birindeki gerilim düzenekten geçen akımı
kontrol eder. Bipolar transistörler AM (Amplitude Modulation) ve FM (Frequency
Modulation) alıcılarda kazanç elemanı olarak kullanılırken FET ler RF (Radio
Frequency) alıcılarda ve karıştırıcı (Mixer) devrelerinde kullanılmaktadır. AM
alıcılarda RF amplifikatör bulunmazken, FM alıcılarda en az 1 tane RF amplifikatör
kademesi mutlaka bulur. Yüksek giriş empedansı, kare yasa karakteristik ve çift kapı
olasılığı FET’leri iletişim sistemlerinin en önemli düzeneği haline getirir (Floyd
2012).
3.1 Eklem Alan Etkili Transistör (JFET)
Yapısına bağlı olarak JFET’ ler n-kanal veya p-kanal olmak üzere iki sınıfa
ayrılır. Şekil 3.1.(a) da n-kanal JFET’ in yapısı gösterilmiştir.
58
Şekil 3.1: n ve p kanal JFET yapıları.
Tel ayaklar (bağlantı uçları) n kanalının birer uçlarına bağlanmıştır. Üstteki
uç kanal (drain), alttaki uç kaynak (source) olarak adlandırılmıştır. İki p-tipi malzeme
n tipi malzemeye bir kanal oluşturacak şekilde difüse edilmiştir ve her iki p bölgesi
geçit (gate) adı verilen terminale bağlanmıştır. Şekilde basitleştirmek için p
bölgelerinin içsel bağlantısı gösterilmemiştir. Şekil 3.1.(b) de de p kanal JFET yapısı
gösterilmiştir.
3.2 Çalışma İlkesi
Bir JFET’ in çalışma ilkesini açıklayabilmek için Şekil 3.2 de ki besleme devresi
kullanılabilir. Burada bir n kanal JFET kullanılmıştır. VDD gerilimi drain - source
gerilimini, dolayısıyla drainden sourcea doğru olan akımı sağlar. VGG ise gate ve
source arasındaki ters besleme gerilimini ayarlar (Floyd 2012).
a b
59
Şekil 3.2: n Kanal JFET’ in beslenmesi.
JFET, gate - source p-n eklemi daima ters besleme durumunda iken çalışır.
Gate - source ekleminin negatif gate gerilimi ile ters beslenmesi n kanalı içinde bir
arınma (depletion) bölgesi oluşturur ve onun direncini arttırır. Kanal genişliği gate
gerilimini değiştirerek kontrol edilebilir. Gate gerilimi aynı zamanda ID drain
akımının da kontrolüne olanak verir. Bu kavram Şekil 3.3 de gösterilmiştir.
Gölgelenmiş bölgeler ters besleme ile yaratılan arınma bölgesini
göstermektedir. Görüleceği gibi arınma bölgesi draine doğru genişlemektedir. Çünkü
gate ve drain arasındaki ters besleme gerilimi gate-drain source arasındakinden daha
büyüktür (Floyd 2012).
(a)
I +–
n
p p
n
R
D
S
GVDDp p
+
––
+
D
S
G
VG
p p
V+–
60
(b) (c)
Şekil 3.3: a) VGG nin kanal genişliği ve drain akımı üzerine etkisi, b) büyük VGG
kanalı daraltır, ID yi azaltır, c) küçük VGG kanalı genişletir, ID yi arttırır.
n ve p kanallı JFET’ ler için şematik semboller Şekil 3.4 de gösterilmiştir. n
kanallı JFET için okun içeriye doğru, p kanallı için dışarıya doğru olduğuna dikkat
edilmelidir.
Şekil 3.4: JFET Sembolleri.
I +–
n
p p
n
R
D
S
GVDDp p
+
––
+
D
S
G
VG
p p
V+–
I +–
n
p p
n
R
D
S
GVDDp p
+
––
+
D
S
G
VG
p p
V+–
61
3.3 JFET Karakteristikleri ve Parametreleri Akıtıcı (drain) Eğrileri
ve Kıstırma
Kapı-kaynak (gate-source) voltajının sıfır olması hali (VGS = 0) durumu Şekil 3.5
de gösterildiği gibi kapı ile kaynağı kısa devre ederek sağlanır. VDD (dolayısıyla VDS)
sıfırdan başlayarak arttırıldığında ID orantılı olarak artmaya başlar, Şekil 3.5.(b). A ve
B noktaları arasındaki bu bölgede kanal direnci genellikle sabittir, çünkü arınma
bölgesi önemli bir olay oluşacak yeterli genişliğe sahip değildir. Buraya, VDS ve ID
arasındaki ilişki ohm yasasına uyduğundan Omik Bölge denir (Boylestad 2011).
Şekil 3.5: a) VGS = 0 ve değişken VDS li JFET, b) VGS = 0 V için akıtıcı (Drain)karakteristik eğrisi.
B noktasında eğri düzleşir ve ID, IDSS değerinde hemen hemen sabit kalır. Bu
noktada gate-drain (kapı-akıtıcı) eklemindeki VGD ters besleme gerilimi yeteri kadar
dar bir arınma bölgesi oluşturur ve buranın direnci önemli miktarda artar. Bu
noktadaki VGD değeri VP kıstırma (pinch-off) voltajı olarak bilinir. Gate besleme
voltajının sıfır olduğu bu kıstırma noktasında VP = VDS dir çünkü VGS ve VGD
birbirine eşittir. Bununla beraber, genelde,
– (3.1)P GS DS PV V V
dir. Burada VDS(P) , verilen bir VGS değeri için kıstırma noktasındaki VDS değeridir.
VP verilen bir JFET için sabit değerde olup sabit bir parametreyi temsil eder.
Kıstırmada VDS değeri değişkendir ve değeri gate-source besleme voltajına bağlıdır.
62
Şekil 3.5 b) deki eğriden VGS = 0 için, B noktasının üzerinde, VDS deki sürekli artış
genellikle sabit IDS akımı oluşturur. Bu çok özel değer IDSS olarak tanımlanır ve VGS
sıfır olduğunda IDS nin alabileceği maksimum değer anlamındadır. C noktasında
yıkılma (breakdown: kırılma) meydana gelir ve ID hızla yükselir ve çok muhtemel
olarak düzenekte geriye dönüşü mümkün olmayan tahribat meydana gelir. JFET’ ler
daima yıkılma noktasının altında ve kıstırma bölgesi içinde (B ve C arasında)
çalıştırılmalıdır. VGS = 0 için JFET davranışı Şekil 3.6 da gösterilmiştir.
Şekil 3.6: VGS = 0 için JFET karakteristik davranışları.
Örnek olarak –1 volt gibi negatif gate besleme voltajında VDD, 0 dan
başlayarak arttırılırsa VDS nin daha küçük değerlerinde kıstırma olayı meydana gelir.
Bunun nedeni VP kıstırma voltajının sabit olması, dolayısıyla belirli bir negatif gate
voltajında drain voltajının gate-drain voltajına daha kolay ulaşmasıdır (Floyd 2012).
VGS nin artan negatif değerleri ile deney tekrarlandığında Şekil 3.7. b) de
görüldüğü gibi bir karakteristik ailesi ortaya çıkar.
63
(a) VGS = -1 V ile beslenmiş JFET (b) Karakteristik eğri ailesi
Şekil 3.7: VGS negatifleştikçe kıstırma daha küçük VDS değerlerinde meydana gelir.
Görüldüğü gibi VGS nin negatif değerleri daha küçük VDS değerlerinde
kıstırmanın oluşmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla drain akımı VGS ile kontrol
edilebilmektedir. IDSS maksimum drain akımı VGS = 0 V için gerçekleşir ve VGS nin
negatifleşmesi ile giderek azalır (n kanal JFET için). p kanal JFET’ de ise VGS nin
pozitif olması gerekir, bu durum Şekil 3.8’ de gösterilmiştir (Floyd 2012).
Şekil 3.8: VGS nin ID yi kontrol etmesinin açıklanması.
64
n kanal JFET için daha fazla negatif VGS, ID nin giderek küçülmesine neden
olur. VGS yeteri kadar negatif yapıldığında ID sıfıra kadar azalır. Bu arınma bölgesinin
genişlemesi ile sonuçlanır ve bir noktada iki kanal birbirine temas eder. Bu durumun
oluştuğu VGS değeri VGS(kesilme) olarak tanımlanmıştır.
(3.1) denklemi herhangi bir n kanal JFET için kesilmenin VGS = VP olduğunda
meydana geldiğini söylemektedir. Ele alınan JFET için kıstırma voltajı VP sabit
olduğundan VGS = VP olduğunda drain-source voltajı VDS(P) mutlaka sıfır olmalıdır.
Mademki drain ve source arasında bir voltaj yoktur, o halde ID akımı da sıfır
olacaktır. Hatta VDS 0 voltun üzerine çıksa bile ID genellikle 0 A civarında sabit kalır.
Kesilme olayı Şekil 3.9 da gösterilmiştir. Kıstırma ile kesilme birbirine
karıştırılmamalıdır. Kıstırma voltajı VP, verilen bir VGS voltajı için drain akımının
sabit değere ulaştığı VGD gate-drain voltajıdır. VGS(kesilme) voltajı ise drain akımının 0
olduğu VGS değeridir. ID yalnızca VGS değeri VP ye eşit veya ondan daha büyük
olduğu zaman 0 olur. VGS den daha az negatif değerlerde ID sıfır değildir.
VGS = VP olduğunda ID = 0 dır. Çünkü 0 drain akımı kapalı (off) koşulu ile
ilgilidir ve VP nin büyüklüğü VGS(off)’un büyüklüğüne eşittir. Bu nedenle çoğu FET
veri kartları yalnızca VGS(off) değerlerini verir. Çünkü yukarıdaki açıklama nedeniyle
VP de aynı değere sahiptir (Demirtürk 2014).
65
Şekil 3.9: Kesilme durumunda JFET davranışı.
3.4 Transfer Karakteristikleri
Bir n kanal JFET için VGS(off) negatif, p kanal JFET için pozitiftir. Çünkü VGS,
ID‘ yi kontrol eder. Bu nedenle bu iki büyüklük arasındaki ilişki çok önemlidir. Şekil
3.10 VGS ile ID arasındaki ilişkiyi grafiksel olarak gösteren tipik bir transfer
karakteristik eğrisidir (Floyd 2012).
Şekil 3.10: JFET transfer karakteristik eğrisi.
Eğrinin VGS eksenini kestiği nokta VGS(off) değerine; ID eksenini kestiği nokta
ise IDSS değerine eşittir. Bu eğri doğal olarak bir JFET’ in çalışma limitlerini
göstermektedir. Öyle ki,
66
VGS = VGS(off) olduğunda ID = 0 dır,
VGS = 0 olduğunda ID = IDSS dir.
Transfer karakteristik eğrisi drain karakteristik eğrileri ailesinden
çıkartılabilir. Şekil 3.11 de çeşitli VGS değerleri için belirli bir JFET’ e ait transfer
karakteristik eğrileri gösterilmiştir. Burada, örnek olarak VGS = – 2 V olduğunda ID =
4,32 mA dir. Bu JFET için VGS(off) = – 5 V ve IDSS = 12 mA dir.
Şekil 3.11: Sağdaki JFET drain karakteristiklerinden soldaki JFET transferkarakteristiklerinin çıkartılması.
3.5 JFET DÜZ TRANSKONDÜKTANSI
Düz iletkenlik drain-source voltajı sabit iken birim gate-source voltajı
değişmesi başına düşen drain akımı değişmesi olarak tanımlanır.
(3.2)Dm
GS
IgV
Bu parametre için kullanılan diğer tanımlamalar gfs veya yfs şeklinde
olabilmektedir.
Bir JFET için transfer karakteristik eğrisi non-lineer olduğundan gm değeri
seçilen VGS değerine bağlı olarak eğrinin üzerindeki konumu ile değişir. gm eğrinin
üst taraflarında eğrinin alt tarafındaki değerlerine göre daha büyüktür (Boylestad
2011).
67
Şekil 3.12: gm, besleme noktasına (VGS) bağlı olarak değişir.
Şekil 3.12 de gm değerinin besleme noktasına bağlı olarak nasıl değiştiği
açıklanmıştır. Veri kartları normalde gm değerini VGS = 0 V değeri için verir (gm0).
Aşağıdaki formül kullanılarak, gm0 verildiğinde transfer karakteristiği
üzerindeki herhangi bir noktadaki gm değeri hesaplanabilir.
0( )
1 (3.3)GSm m
GS off
Vg gV
0( )
2 (3.4)DSSm
GS off
IgV
3.6 Giriş Direnci ve Sığası
Bir JFET gate-source eklemi ters beslenerek çalışır. Bu nedenle gate’ deki
giriş direnci çok yüksektir. Bu yüksek giriş direnci JFET’ ler için bipolar
transistörlere göre önemli bir avantajdır. Bir bipolar transistörün düz beslenmiş base-
emitter eklemi ile çalıştığı hatırlanırsa bu avantajın önemi daha iyi anlaşılır. JFET
veri kartlarında giriş direnci belirli bir gate-source voltajındaki gate ters akımı IGSS
için verilir. Bu verilerle giriş direnci,
(3.5)GSgiriş
GSS
VRI
68
denklemi ile hesaplanabilir.
Bir JFET’ in giriş sığası CISS bipolar transistöre göre bir hayli büyüktür,
çünkü JFET ters beslenmiş pn eklemi ile çalışmaktadır. Bilindiği üzere ters
beslenmiş pn eklemi bir kondansatör gibi davranır ve sığası ters besleme voltajının
büyüklüğüne bağlıdır (Floyd 2012).
3.7 Drain - Source Direnci
Drain karakteristik eğrisinden gördük ki kıstırmanın üzerinde drain akımı,
oldukça geniş bir drain-source voltajı aralığında hemen hemen sabit kalmaktadır.
Dolayısıyla VDS deki oldukça büyük değişmeye karşılık ID de çok küçük değişme
meydana gelir. Bu değişmelerin oranı düzeneğin drain-source direncini verir.
(3.6)DSDS
D
VRI
Veri kartları bu parametreyi çıkış kondüktansı gOS veya çıkış admitansı yOS
olarak verir. RDS nin tipik değerleri bir kaç kilo-ohm mertebesindedir.
3.8 JFET’ lerin Beslenmesi
3.8.1 Bir JFET’ in Kendiliğinden Beslenmesi
Bir JFET mutlaka gate-source eklemi ters beslenerek çalıştırılmalıdır. Bu
koşul, n kanal JFET için negatif VGS; p kanal JFET için pozitif VGS gerektirir. Buna,
Şekil 3.13 de gösterilen kendiliğinden besleme (self-bias) ile ulaşılır.
69
Şekil 3.13: JFET’lerin kendiliğinden beslenmesi (tüm FET’lerde IS = ID dir).
Burada gate’in toprağa bağlı RG direnci ile yaklaşık 0 V ile beslendiğine
dikkat edilmelidir. Ters sızıntı akımı IGSS, RG nin uçları arasında çok küçük bir voltaj
yaratır. Fakat bu, birçok halde ihmal edilebilir mertebededir ve RG üzerinde bir voltaj
düşmesi meydana gelmediği varsayılabilir (Floyd 2012).
Şekil 3.13 deki n kanal JFET için ID, RS üzerinde bir voltaj düşmesi oluşturur.
Bu voltaj source’u toprağa göre pozitif yapar. VG = 0 ve VS = ID × RS olduğuna göre
gate-source voltajı;
– 0 – – (3.7)GS G S D S GS D SV V V I R V I R
olacaktır.
p kanal JFET için durum Şekil 3.13.b de gösterilmiştir. RS direncinden geçen
akım bir negatif voltaj oluşturur ve böylece,
3.8GS D SV I R
olur.
Bu analizde n kanal JFET kullanılmıştır. p kanal JFET için aynı düşünce
biçimi geçerli olmakla beraber yalnızca voltajların polaritesi ters olacaktır.
70
Drain’in toprağa göre potansiyelini bulmak için aşağıdaki yöntem
kullanılabilir.
– 3.9D DD D DV V I R
Drain-source voltajı VS = ID × RS dir, bu durumda,
– – 3.10DS D S DS DD D D SV V V V V I R R
elde edilir.
3.8.2 Besleme Noktasının Ayarlanması
Bir JFET’ in besleme noktasını ayarlamanın temel yaklaşımı arzu edilen VGS
değeri için ID akımın tespit etmek, daha sonra (3.7) ve (3.10) denklemlerini
kullanarak RS değerini hesaplamaktır. Düşey çizgiler bilindiği gibi büyüklüklerin
mutlak değerlerinin kullanılacağını anlatmaktadır.
(3.11)GSS
D
VRI
Arzu edilen VGS değeri için ID iki farklı yolla elde edilebilir. Belli bir JFET’ in
transfer karakteristik eğrilerinden bulunabileceği gibi JFET veri kartındaki IDSS ve
VGS(off) değerleri kullanılarak (3.7) denkleminden hesaplanabilir (Floyd 2012).
3.8.3 Orta Nokta Beslemesi
Genellikle bir JFET’ in ID = IDSS / 2 olduğu transfer karakteristik eğrisinin
orta noktasına yakın çalışması arzu edilir. Sinyal şeklinde gerilimlerle çalışıldığında
orta nokta beslemesi, drain akımının 0 ile IDSS arasında maksimum miktarda
salınmasına izin verir.
71
2
( )
1 (3.12)GSD DSS
GS off
VI IV
(3.12) denklemini kullanarak VGS = VGS(off) / 4 olduğunda ID nin IDSS nin
yarısına eşit olduğunu elde edilebilir.
21– 0, 25 0,5625D DSS DSSI I I
Dolayısıyla VGS = VGS(off) / 4 seçerek ID ye göre orta noktaya yakın çalışma
koşulu seçebiliriz. Yukarıdaki hesaplamaya göre ID nin IDSS nin yarısından biraz daha
büyük olması gerekmekle beraber 0,5×IDSS de iyi bir yaklaşım olarak kabul edilebilir.
Drain voltajını orta noktada (VD = VDD / 2) seçebilmek için RD istenilen voltaj
düşmesini sağlayacak büyüklükte seçilmelidir. RG, çağlayan (cascade) amplifikatör
uygulamalarındaki sürücü kademelerindeki yüklenmeyi önlemek için büyük
seçilmelidir (Floyd 2012).
3.9 Metal Oksit Yarı-iletken FET’ ler (MOSFET)
MOSFET ikinci grup alan etkili transistörlerdir. JFET’ ler den farklı olarak pn
eklem yapısına sahip olmayıp bunun yerine MOSFET’ in gate’ i (kapısı) kanaldan
bir SiO2 tabaka ile yalıtılmıştır. Arınma artışlı (depletion enhancement) DE ve artışlı
(enhancement) E olmak üzere iki tip MOSFET bulunmaktadır (Floyd 2012).
3.9.1 Arınma Artışlı Mosfet (Depletion Enhancement Mosfet)
Şekil 3.14 DE MOSFET’ in yapısını göstermektedir. Drain ve source taban
materyali içine difüse edilmiş ve dar bir kanalla birleştirilmiş, bunun bitişiğine
yalıtılmış bir gate yerleştirilmiştir. Şekilde hem n kanal hem de p kanal yapısı
gösterilmiştir. Burada temel işleme ilkelerini açıklamak için n kanal DE MOSFET
kullanılacaktır. p kanal işleme ilkeleri de aynı olmakla beraber voltaj polariteleri n
kanaldakinin tam tersi olacaktır.
72
Şekil 3.14: DE MOSFET yapıları.
DE MOSFET iki moddan birinde çalışabilir.
Arınma modu (depletion mode: D modu)
Artışlı mod (enhancement mode: E modu)
Kapı (gate) kanaldan yalıtılmış olduğundan pozitif veya negatif kapı voltajı
uygulanabilir. Bir MOSFET kapı-kaynak (gate-source) gerilimi negatif olduğunda
arınma modunda; kapı-kaynak gerilimi pozitif olduğunda artışlı modda çalışır.
MOSFET yapısından görüleceği gibi, kapı (gate) bir levha, kanal diğer levha
ve SiO2 dielektrik olarak düşünülecek olursa paralel levhalı bir kondansatör var
demektir. Dolayısıyla gate negatif voltajla beslendiğinde gate’ deki negatif yükler
kanaldaki iletkenlik elektronlarını iterler. Böylece pozitif yüklü iyonlar oluşur ve
bunlar yerlerinde kalırlar. Bu durumda n kanalı deplase olmuş olur ve kanal
iletkenliği azalır. Kapıdaki negatif voltajın arttırılması n kanal elektronlarının deplase
olgusunu arttırır. Yeteri kadar büyük bir negatif VGS(off) kapı-kaynak geriliminde
kanal tamamen deplase olur ve drain akımı sıfırlanır (Floyd 2012).
73
Şekil 3.15: n kanal DE MOSFET’ in çalışma ilkesi. a) arınma modu, b) artışlı mod.
n kanal JFET’de olduğu gibi n kanal DE MOSFET kapı-kaynak gerilimi
VGS(off) ile 0 arasında olduğu sürece drain akımını iletir. İlave olarak DE MOSFET’ in
iletim durumunda olabilmesi için VGS nin sıfırdan büyük olması gerekir.
Pozitif kapı voltajı daha fazla elektronun kanal içine çekilmesine neden olur
ve böylece kanal iletkenliği artar. Bu durum artışlı (enhancement) mod olarak
tanımlanmıştır (Şekil 3.15.b).
n ve p kanal MOSFET’ lerin sembolleri Şekil 3.16 da gösterilmiştir. Burada
taban ok ile belirtilmiş olup normalde (fakat daima değil) içten kaynağa (source)
bağlıdır. İçeriye doğru olan ok n kanal, dışarıya doğru ok p kanal MOSFET ’i
sembolize eder (Floyd 2012).
Şekil 3.16: DE MOSFET’ lerin şematik gösterilişi.
a b
74
3.9.2 Artışlı MOSFET (Enhancement MOSFET: e-MOSFET)
Bu tür MOSFET yalnızca artışlı modda çalışır ve arınma moduna sahip
değildir. Yapısal olarak DE MOSFET’ ler den farklı yapıda olup fiziksel bir kanal
içermezler (Floyd 2012).
Şekil 3.17: E-MOSFET yapısı ve çalışma prensibi.
Şekil 3.17 de görüldüğü gibi taban (substrate) SiO2 tabakasına kadar
genişlemiştir. Bir n kanal düzenekte eşik değerinin üzerinde pozitif kapı voltajı
uygulanması taban bölgesi içinde ince bir negatif yük tabakası oluşarak bir n kanal
indüklenir, Şekil 3.17 Kanalın iletkenliği kapı-kaynak gerilimi arttırılıp daha fazla
elektronun kanala çekilmesiyle attırılabilir. Eşik değerinin altındaki her hangi bir
kapı voltajında kanal olgusu yoktur. Şekil 3.18 de n ve p kanal E-MOSFET’ lerin
sembolleri gösterilmiştir (Boylestad 2011).
Şekil 3.18: n ve p kanal E-MOSFET sembolleri.
75
3.9.3 V-MOSFET
V-MOSFET fiziksel yapı olarak artışlı mod düzeneği olup konvansiyonel E-
MOSFET’ lere göre daha yüksek çalışma akımına ve daha büyük drain-source
voltajına sahiptirler. V-MOSFET’ ler özellikle yüksek güç gerektiren yükseltici
(amplifier) ve anahtarlama uygulamalarında bipolar güç transistörleri ile birlikte
yaygın biçimde kullanılırlar. Şekil 3.19 da E ve V-MOSFET yapıları
karşılaştırılmıştır. Yapısal olarak tamamen farklı olmalarına rağmen benzer şekilde
çalışırlar. Her ikisi de artışlı düzenek olup n kanal için kapı, kaynağa göre pozitif
oluncaya kadar drain ve source arasında bir kanal oluşmaz (Floyd 2012).
Şekil 3.19: Konvansiyonel E-MOSFET ve V-MOSFET yapıları
E-MOSFET’ de kapı pozitif yapıldığında kapıya yakın bölgede ve yüzeye
paralel bir n kanalı oluşur. E-MOSFET kanalının uzunluğu yapım sırasında difüzyon
işleminde kullanılan fotografik maskenin getirdiği sınırlamaya bağlıdır ve kanal çok
dardır. V-MOSFET iki adet source bağlantısına sahiptir ve kanal, drain (n+) ile
source arasında aşağıya doğru V harfi şeklinde indüklenir ve oldukça geniştir.
76
Kanal uzunluğu katkı yoğunlukları ile kontrol edilen tabaka kalınlıkları ve
difüsyon zamanına bağlı olup maske boyutlarına daha az bağımlıdır. V geometrisi
konvansiyonel E-MOSFET’ lere göre daha kısa fakat daha geniş kanal oluşmasını
mümkün kılar. Bu da, daha yüksek akımla çalışmaya, başka sözlerle, daha büyük
güçlerle çalışmaya izin verir. Frekans duyarlığı da oldukça artar (Floyd 2012).
3.9.4 MOSFET Karakteristikleri ve Parametreleri
3.9.4.1 Arınma Artışlı MOSFET Transfer Karakteristikleri
DE-MOSFET hem pozitif hem de negatif kapı voltajı ile çalışabilmektedir.
Bu, Şekil 3.20 deki n kanal ve p kanal MOSFET transfer karakteristikleri üzerinde
gösterilmiştir.
Şekil 3.20: DE-MOSFET transfer karakteristik eğrileri.
Eğri üzerinde VGS nin sıfır olduğu nokta IDSS ile, ID nin sıfır olduğu nokta ise
VGS(off) ile ilgilidir ve JFET’de olduğu gibi VGS(off) = VP dir.
JFET eğrisi için geçerli olan kare bağıntısı DE-MOSFET eğrisi için de
geçerlidir.
77
3.9.4.2 Artışlı MOSFET Transfer Karakteristiği
Bu tür MOSFET yalnızca kanal artışı kullanır. Dolayısıyla bir n kanal
düzeneği pozitif; p kanal düzeneği ise negatif kapı-kaynak voltajı gerektirir. Şekil
3.21 her iki tür E-MOSFET için transfer karakteristiklerini gösterir.
Şekil 3.21: E-MOSFET transfer karakteristik eğrileri.
Bir MOSFET’ in kapısı kanaldan yalıtılmış olduğu için giriş direnci çok çok
büyüktür (ideal olarak sonsuz). Tipik bir MOSFET için kapı sızıntı akımı pA
mertebesindedir. Oysa bir JFET için kapı ters akımı bir kaç nA kadardır. Yalıtılmış
kapı yapısı nedeniyle bir giriş sığası mutlaka mevcuttur. Giriş direnci çok yüksek
olduğundan giriş kondansatöründe çok büyük statik yük birikebilir ve bu yük
düzeneğin içsel olarak bozulmasına neden olabilir. Bunu önlemek için aşağıdaki
konulara dikkat edilmesi gerekir (Floyd 2012).
1- MOS düzenekleri iletken köpükler içinde saklanmalı ve taşınmalıdır.
2- Tüm aletler ve montajda kullanılan metal parçalar mutlaka toprağa
bağlanmalıdır.
3- Montaj ve taşıyıcı bilekleri uzun bir tel ve yüksek seri direnç ile mutlaka
toprağa bağlanmalıdır.
4- Bir MOS düzeneği, devrede gerilim varken kesinlikle bulunduğu yerden
çıkartılmamalıdır.
78
5- DC kaynak kapalı iken MOS düzeneğine herhangi bir sinyal uygulanmaz.
(Floyd 2012).
3.9.5 MOSFET’ in Beslenmesi
Arınma artışlı MOSFET’ ler pozitif veya negatif VGS değerlerinde
çalışabiliyordu. Basit bir besleme metodu VGS yi sıfırda tutmaktır. Bu durumda
kapıdaki bir AC sinyal kapı-kaynak voltajının bu besleme noktasının altında ve
üstünde değişmesine neden olur. Sıfır Beslemeli bir MOSFET Şekil 3.22 de
gösterilmiştir (Floyd 2012).
Şekil 3.22: Sıfır beslemeli DE-MOSFET.
VGS = 0 ve ID = IDSS olduğundan drain-kaynak voltajını
3.13DS DD DSS DV V I R
şeklinde ifade etmek mümkün olur.
3.9.5.1 E-MOSFET’ in Beslenmesi
E-MOSFET yalnızca VGS eşik değerinden daha büyük olduğu zaman
çalışmaktadır. Şekil 3.23 de bir E-MOSFET’ in beslenmesi için 2 farklı yol
79
göstermektedir. Her iki besleme türünde de amaç, kapı voltajını kaynağın (source’
un) bir VGS(eşik) değerinden daha pozitif yapmaktır (Boylestad 2011).
Şekil 3.23: E-MOSFET için besleme devreleri.
Şekildeki voltaj bölücülü besleme için analiz denklemleri;
2
1 2
(3.14)GS DDRV V
R R
(3.15)DS DD D DV V I R
Şeklindedir (Boylestad 2011).
80
4 PROGRAMLAR ve CİHAZ
4.1 Multisim
Elektrik, elektronik ve bilgisayar mühendisleri ile her türlü elektronik devre
tasarımı için kullanılan Multisim çok gelişmiş bir simülasyon aracıdır. Bu program
ile her türlü elektriksel devre ve sinyal devresi çizilebilir, çalışma standartları ve
gücü hesaplanabilir. Elektriksel devre elemanları, elektronik ve lojik devre
elemanlarının tamamını program içinde bulabilir ve çok hızlı bir şekilde
kullanılabilir.
Multisim içerisinde elektrik devreleri için multimetre, voltmetre ve
ampermetre gibi ölçüm aletleri ile osiloskop gibi cihazlar da bulanmaktadır.
Elektronikte ise çok daha gelişmiş yüzlerce cihaz bulunmaktadır. Elektronik devre
elemanları ise piyasada mevcut olan ve yaygın olarak kullanılan elemanlardan en az
kullanılan elemanlara kadar mevcuttur.
Lojik devrelerde kullanılan entegrelere çok çabuk ulaşılabilir. Ayrıca
programlanabilir entegreler için PIC, assembly ve micro C desteği bulunmaktadır.
Multisim programının diğer özellikleri ise hızlı simüle edilebilir olması, lojik elektrik
ve elektronik devrelerin birlikte kullanılabilmesi, devre elemanlarını standart
özellikleriyle ve şekliyle kullanılmasıdır. Ayrıca gerektiğinde devre elemanının
standartları değiştirebilir ve kullanıcıya özgü bir şekle getirilebilir.
Multisim programında devre elemanları üçlü bir hiyerarşiye sahiptirler.
Grup → Aile → Devre Elemanı
Analog Elektronik dersinde ihtiyaç duyulacak devre elemanları ve bu
elemanların ait oldukları aile ve gruplar Tablo 4.1’ de görülmektedir.
Tablo 0.1: Devre elemanlarının gruplandırılması.
81
Grup Aile Devre Elemanı
Kaynaklar
Güç Kaynakları DC Güç Kaynağı, Toprak, AC GüçKaynağı
Bağımlı Gerilim KaynaklarıAkıma Bağımlı Gerilim Kaynağı
Voltaja Bağımlı Gerilim Kaynağı
Bağımlı Akım KaynaklarıAkıma Bağımlı Akım Kaynağı
Voltaja Bağımlı Akım Kaynağı
Temel
Direnç Farklı Ohm Değerlerinde Dirençler
Bobin Farklı Henry Değerlerinde Bobinler
Kondansatör Farklı Farad Değerlerinde Kondansatörler
Transformatör İdeal Transformer
DiyotDiyot Diyot Çeşitleri
Zener Zener Diyot Çeşitleri
TransistörBJT-NPN
Transistör ÇeşitleriBJT-PNP
Analog OPAMP OPAMP Çeşitleri
Şekil 4.1’de BS170 kodlu MOSFET üzerine yapılan çalışmanın ekran
görüntüsü bulunmaktadır (Akdoğan 2014).
82
Şekil 4.1: BS170 Kodlu MOSFET için yapılan Multisin çalışması.
4.2 LabVIEW
LabVIEW, milyonlarca mühendisin ve bilim adamının kullandığı grafiksel
programlama dili arabirimidir. Grafiksel programlama dili; küçük, grafiksel ikonlar
ve kablolar ile akış diyagramları hazırlamaya ve yapacağınız programları nesne
tabanlı kullanarak birçok küçük programları birleştirmeye yaramaktadır. Metin
tabanlı dillerden ziyade kullanımı daha kolay ve algoritma geliştirmek için daha
görsel bir platform sunmaktadır.
1986 yılından bugüne kadar her türlü platformda kullanılabilir hale gelen
LabVIEW kendi içerisinde çok geniş bir kapsama alanı içermekle birlikte bilimden
endüstriye pek çok alana hükmetmektedir. Mühendislik, istatistik, kimya, fizik gibi
alanlarda verinin kullanılabileceği her alanda çok büyük kolaylıklar sağlamaktadır.
Test, ölçme ve kontrol sistemlerinin vazgeçilmezi olmayı hedefleyen
LabVIEW, National Instrument bünyesinde geliştirilen veri toplama kartları,
modüler enstrümantasyon sistemleri, kompakt kartlar ile dünya piyasasında önemli
yer edinmiştir. 2011 yılında Multisim Programını da bünyesine katan National
Instruments sanal enstrümantasyon uygulamalarını devre simülasyon programlarında
da kullanılabilir hale getirmektedir.
Uygulama alanlarını sıralamak zor olsa da yapılan uygulamaların örneklerini
inceleyerek bu programın işinizi ne kadar kolaylaştıracağını görebilirsiniz. Hızlı
83
programlama, programın adım adım çıkışlarını görebilme, paralel program
sürdürebilme, işletim sistemi konusunda hiçbir sıkıntı yaşamama Mac OS,
Windows7, Linux ortamlarının hepsine kurulabilme gibi özellikleriyle öne çıkan
LabVIEW pratik çözümler sunmaktadır. Medikal uygulamalar, otomasyon, gıda
uygulamaları, otomotiv, işaret işleme, jeolojik veri analizleri, istatistik, matematik,
enerji analizi, robotik gibi çok geniş bir alana hitap ettiğinden dolayı günden güne
kullanım oranı artmaktadır. Matlab, Mathscript gibi dillerin kodlarını kendi
içerisinde çalıştırabilme özelliğine de sahip olmasıyla hem akademik hem de
endüstriyel çalışmalarda mukayese imkânı sunmaktadır.
LabVIEW, standart laboratuvar cihazlarından daha fazla esneklik sağlar çünkü
yazılım temellidir. Cihazın nasıl çalışacağını, cihazın üreticisi yerine LabVIEW
kullanıcısı belirler. LabVIEW’i kullanarak gerekli olan cihazlar, geleneksel
cihazların maliyetinin küçük bir bölümüne tamamen yeniden oluşturulabilir.
İhtiyaçlar değiştiği zaman ise sisteme anında müdahale edilerek değişiklere rahatlıkla
gidilebilir (Trav,s 2012).
4.2.1 LabVIEW in Yapısı
LabVIEW programı iki kısımdan oluşmaktadır: Ön panel ve blok diyagram.
Ön panel kullanıcı ara yüzüdür. Şekil 4.2 de görüldüğü gibi LabVIEW ile
oluşturulacak uygulamayı kullanacak olan operatörün sisteme değerler girmesine ve
çıkışları görmesine yardımcı olur. Şekil 4.3 de görüldüğü gibi blok diyagram ise esas
işlemlerin yapıldığı yerdir. Ön panelde kullanıcı bir taraftan kontrolü sağlarken, diğer
taraftan blok diyagramda sanal cihazlar çalışmaktadır. Ayrıca NI firmasının
geliştirdiği donanım ile gerçek sistemlere hükmedebilmektedir.
84
Şekil 4.2: Mosfet incelemeleri için hazırlanan LabVIEW programının ön panelgörünümü.
LabVIEW, uygulama oluşturmak için komut satırları yerine ikonların
kullanıldığı grafiksel bir programlama dilidir. Komut satırlarına dayalı programlama
dillerindeki bilgi tespit yöntemlerine karşın, LabVIEW veri tespit yöntemi olarak
veri akış yöntemini kullanır. Kolay kullanılan güçlü bir grafik program geliştirme
ortamıdır. Kaynak kodu problemleri çözmek için şematik ve akış diyagramına
benzeyen sezgisel bir blok diyagramı yaklaşımı kullanılır. En fazla yürütme
performansı elde etmek için LabVIEW 32 bit derleyici içermektedir. Böylece
LabVIEW sanal enstrümanları C veya C++ ile oluşan programlar kadar hızlı çalışır.
LabVIEW ile kendi başına çalışan programlar da oluşturulabilir. LabVIEW
programının yazıldığı dil G olarak anılmaktadır (Travis 2012).
85
Şekil 4.3: Mosfet incelemeleri için hazırlanan LabVIEW programının blok diyagramgörüntüsü (tam sayfa ekran görüntüsü Ek P’ de bulunmaktadır).
LabVIEW' da araçların ve nesnelerin ayarlanması yardımı ile bir kullanıcı ara
yüzü oluşturulur. Kullanıcı ara yüzü ön panel olarak isimlendirilmektedir. Daha
sonra ön panel nesnelerini kontrol etmek için fonksiyonların grafiksel karşılıklarını
kullanarak kod eklenmelidir. Blok diyagram bu kodları kapsamaktadır. Uygun
şekilde düzenlendiğinde blok diyagram bir akış diyagramına benzemektedir.
Genişletilmiş özel uygulamalar yapabilmek için kişisel olarak eklenebilecek yazılım
araç kutularının kullanımına imkân tanımaktadır. Tüm araç kutuları LabVIEW 'a
kolayca birleşir.
Dünya çapında yapılan bağımsız araştırmalarda görülmüştür ki, PC tabanlı
ölçüm sistemleri için en popüler üç programlama ortamı LabVIEW, C ve C++'dır.
LabVIEW var olan standart C programlama dillerinin esnekliğini ve kapsamlı
işlevselliğini sağlarken bir yandan da kullanıcılara C'ye göre 5 ile 10 kat daha fazla
verimlilik sunar.
LabVIEW aynı zamanda analiz, kontrol ve saklama uygulamaları için
kapsamlı bir veri koleksiyonuna sahiptir. LabVIEW geleneksel program gelişme
araçları içermektedir. Daha kolay gelişim göstermek için, uygulamanızda kırılma
noktası oluşturabilir, animasyonlar oluşturabilir veya tek adımlık programlar
oluşturulabilir.
86
LabVIEW harici kod ya da DLL' ler, veri tabanları, ActiveX ve daha fazlası
ile iletim sağlayabilmeniz için çok sayıda mekanizma içermektedir. Ayrıca
eklenebilecek çok sayıda araç, uygulamanın ihtiyaç duyacağı çeşitliliği sağlayacak
yetenektedir (Travis 2012).
4.2.2 Veri Toplama ve İşleme
Kişisel bilgisayarlar, sayısal sinyal işleme, görüntü işleme, veri toplama ve
endüstriyel kontrol ile haberleşme uygulamaları için en çok tercih edilen platform
olmuştur. Birçok uygulamada, özellikle veri toplama ve süreç kontrolü için, PC’nin
gücü ve esnekliği göz ardı edilemez. PC’nin bu uygulamalarda tercih edilmesinin
sebebi, özel bir veri toplama işleminin belirli şartlarının mevcut yazılım ve
donanımla uyum sağlamasıdır.
Veri toplama, gerçek dünyadaki fiziksel büyüklüklerin, bir bilgisayar
tarafından işlenmesi, analiz edilmesi ve saklanması için ölçülen ve sayısal bir biçime
dönüştürülen elektrik sinyallerine dönüştürüldüğü süreçtir. Kontrol ise, sistem
donanımından gelen sayısal kontrol sinyallerinin, hareketlendirici cihazlar ya da
röleler gibi kontrol cihazları tarafından kullanılmak üzere, bir sinyal biçimine
dönüştürüldüğü süreçtir. Uygulamaların büyük bir çoğunluğunda, veri toplama
sistemi (DAQ), sadece veri elde etmek için değil ayrıca üzerinde çalışmak için
tasarlanır (Travis 2012).
4.3 NI myDAQ
NI myDAQ düşük maliyetli taşınabilir veri toplama (DAQ) aygıtıdır. NI
LabVIEW tabanlı yazlım araçları ile sorunsuz bir şekilde çalışarak kullanıcıların
gerçek zamanlı veri işlemelerine olanak sağlayan küçük ve etkili bir cihazdır. NI
myDAQ elektronik cihazların çalışma prensiplerini keşfetmek ve sensörler
yardımıyla ölçümler gerçekleştirebilmek için uygun bir ara işlem cihazıdır. Kişisel
bilgisayar (PC) ile birlikte kullanılacak olan NI LabVIEW programı sayesinde
kullanıcılar, sensörler yardımıyla istedikleri deneyleri gerçekleştirebilir, deney
sonuçlarını analiz edebilir ve süreç sinyallerini her türlü ortamda basitçe kontrol
87
altında tutabilirler. Şekil 4.4 ’de deneylerde kullanılan NI myDAQ’ ın çevre birim
özellikleri gösterilmektedir (National Instruments Corporation 2011).
Şekil 4.4: NImyDAQ özellikleri.
NI LabVIEW programı ile NI myDAQ cihazı birbirine bağlantılı olarak
çalışabilmektedir. LabVIEW programının block diyagramımda bulunan DAQ
assistance sup VI sayesinde program ile veri işleme kartı arasında bağlantı
sağlanmakta ve istenilen veriler işlenmek üzere bilgisayara aktarılmaktadır. Diyot
üzerine veri işlemede kullanılan LabVIEW programının block panelinde yer alan
DAQ assistance örneği Şekil 4.5’ de gösterilmektedir.
88
Şekil 4.5: DAQ assistance kullanım örneği.
NI myDAQ’ ın sabit olduğu teknik özellikler ve bağlantı şemaları Tablo 4.2
ve Şekil 4.6 üzerinde aşağıda gösterilmektedir. Yapılmak istenilen deney, analiz ya
da veri inceleme işlemleri için gerekli olan bağlantılar uygun şekilde
gerçekleştirildikten sonra, NI LabVIEW ortamında hazırlanan program ve NI
myDAQ üzerinden alınan veriler bilgisayar ortamında rahatlıkla incelenebilir.
Şekil 4.6: NI myDAQ bağlantı şeması.
89
Tablo 4.2: NI myDAQ teknik özellikleri.
Sinyal Adı Referans Yön Açıklama
Ses Giriş − Giriş Stereo bağlantı sol ve sağ ses girişi
Ses Çıkış − Çıkış Stereo bağlantı sol ve sağ ses çıkışı
+15V / -15V AGND Çıkış +15 V / –15 V güç kaynakları
AGND − −AI, AO, +15 V ve -15 V terminalleriiçin analog toprak hattı
AO 0 / AO 1 AGND Çıkış Analog çıkış kanalları 0 ve 1
AI 0+ / AI 0–;
AI 1+ / AI 1–AGND Giriş Analog giriş kanalları 0 ve 1
DIO <0...7> DGND Giriş ya da ÇıkışDijital I / O Sinyalleri − Genelamaçlı dijital hatları veya sayaçsinyalleri
DGND − −DIO hatları ve 5 V güç kaynağı içindijital toprak hattı
5V DGND Çıkış 5 V güç kaynağı
NI myDAQ ile birlikte ELVISmx görsel programları da kullanılabilir. Bu
programlar NI myDAQ ile birlikte sunulmakta olup LabVIEW tabanlı programlardır.
ELVISmx programları içeriği genel olarak:
• Dijital Avometre
• Osiloskop
• Sinyal Üreteci
90
• Voltaj Ölçer
• Dinamik Sinyal Analizörü
• İsteğe Bağlı Dalga Üreteci
• Dijital Devre Analizörü
Programları olarak tanımlanabilir. ELVISmx, tüm bu programları içerisinde
barındıran genel bir program olup, tüm bu programlar LabVIEW ortamında
hazırlanmıştır. Bu yüzden NI myDAQ ile kusursuz bir uyum içerisinde çalışmaktadır
ve bu şu anlama gelmektedir ki, bir NI myDAQ satın alındığında aynı zamanda tüm
bu cihazlar da satın almış olmaktadır.
Şekil 4.7: NI ELVISmx programının başlangıç ara yüzü.
Yukarıdaki Şekil 4.7’ de ELVISmx programının başlangıç ara yüzü
görülmektedir. Aşağıdaki Şekil 4.8’ de ise ELVISmx programlarına bir örnek teşkil
eden Dijital Avometre programından bir kesit görülmektedir (National Instruments
Corporation 2011).
91
Şekil 4.8: ELVISmx içeriğindeki dijital avometre programı.
92
5 DENEYSEL YÖNTEM ve VERİLER
Ticari yarı-iletkenler içerisinden, hem piyasada bulunabilen hem de Multisim
Programında var olanlar seçilerek bir katalog oluşturulması işlemi ile deneysel
çalışmalara başlandı. Diyot olarak 1N4007 kodlu silisyum diyot ile üretici firma
kodu bilinmeyen bir germanyum diyot kullanıldı. Zener diyot olarak ise 1N4740A
kodlu 10 voltluk silisyum zener diyot kullanıldı. Deneylerin transistör ayağında ise
gene hem Multisim programında bulunan hem de piyasadan temin edilebilecek olan
2N4401 kodlu transistör kullanıldı. Deneylerde MOSFET olarak BS170 ve
BUZ11kodlu MOSFET ler kullanılmıştır. Piyasada bol miktarda bulunan IRL ve
IRFZ başlangıç kodlu MOSFET ler genellikle power MOSFET oldukları için yüksek
akım altında çalışmaktadırlar. Ancak kullandığımız NI myDAQ ve bilgisayar
sistemimiz yaklaşık 40 A civarında ki bir akımda çalışan bu cihazlar için yetersiz
gelmekte ve ayrıca yapılacak olan akım – gerilim karakteristiği ölçümlerinden bu
kadar yüksek ve tehlike yaratabilecek akım değerlerine ihtiyaç bulunmamaktadır.
Tüm bu yarı-iletken devre elemanlarının çalışma prensiplerinin ve akım gerilim
karakteristiklerinin üreticiler tarafından yayınlanan özellikleri katalog sayfalarında
(datasheet) bulunmaktadır. Tüm deney sonuçlarımızın temel amacı bu datasheetlerde
var olan özellikler uyumlu sonuçlar alınıp alınamadığı üzerinedir. Her bir devre
elemanı için geçerli olan datasheet Ekler bölümünde yer almaktadır.
Deneyler sırasında ayrıca çeşitli ebatlarda dirençler de devrelerimizde
kullanılmıştır. Bu dirençlerin ohm mertebesinden büyüklükleri belirtilmiştir.
Aşağıdaki fotoğraflarda deneylerde kullanılan orijinal devre elemanları
görülmektedir.
93
Şekil 5.1: Soldan sağa sırasıyla BUZ 11, BS 170 kodlu MOSFETler ve 2N4401transistör.
Şekil 5.2: Soldan sağa sırasıyla 1N4007 kodlu diyot ile 1N4740A kodlu zener diyot.
Şekil 5.3: Soldan sağa sırasıyla; kod numarası bilinmeyen germanyum diyot vedeneylerde kullanılan dirençlere bir örnek olarak 1.01 MΩ luk direnç.
94
Deneylere başlanmadan önce her bir yarı-iletken devre elemanının Multisim
Programında akım – gerilim karakteristikleri simülasyon olarak elde edilmiştir. Bu
simülasyonlara ait ekran görüntüleri aşağıdaki şekillerde bulunmaktadır. Bu
simülasyonlar sırasında her bir devre elemanına ait akım – gerilim grafiği çizilmiş ve
bu çizimler üretici firma tarafından sağlanan grafikler ile karşılaştırılmıştır.
5.1 Diyot Uygulamaları
Silisyum, germanyum ve zener diyotlar için LabVIEW ortamında gerekli
program hazırlandı ve diyot(.vi) olarak kaydedildi. Programın istenilen ölçüde çalışıp
çalışmadığı test edildikten sonra Multisim programında 1N4007 kodlu silisyum diyot
için ileri ve geri besleme simülasyonları gerçekleştirilerek kayıt altına alındı.
Aşağıdaki Şekil 5.4 ve Şekil 5.5’ de Multisim programında gerçekleştirilen ileri ve
geri besleme simülasyonlarına ait ekran görüntüleri bulunmaktadır.
Şekil 5.4: 1N4007 kodlu diyot için ileri besleme simülasyonu.
95
Şekil 5.5: 1N4007 kodlu diyot için geri besleme simülasyonu.
Yapılan simülasyonlar sonrasında 1N4007 kodlu diyot board üzerine bağlandı
ve NI myDAQ bağlantısı kurulduktan sonra LabVIEW programı çalıştırılarak deneye
geçildi. Deney esnasında elde edilen diyot ileri ve geri besleme ekran görüntüleri ile
deney düzeneği aşağıdaki Şekil 5.6’ de gösterilmektedir.
Deneyde diyot üzerinden geçen akımı kontrol altında tutabilmek için 10kΩ
luk direnç kullanılmıştır. Avometre ile yapılan ölçüm sonucunda direncin 9,8kΩ
olduğu tespit edilmiş ve bu yüzden nedenle programımızın direnç kısmında direnç
değeri olarak 9,8kΩ değeri eklenmiştir. Aynı direnç değeri Multisim simülasyon
programında da kullanılmıştır.
96
Şekil 5.6: 1N4007 kodlu silisyum diyot için LabVIEW programında gerçekleştirenileri besleme deneyinin ekran görüntüsü (tam sayfa ekran görüntüsü Ek F’ debulunmaktadır).
1N4007 kodlu silisyum diyot için ileri besleme deneyi gerçekleştirildikten
sonra elde edilen verileri Origin Pro programına aktararak diyotun akım gerilim
grafiğini çizildi.
Grafik 0.1: 1N4007 kodlu silisyum diyot için yapılan deney sonrası elde edilenveriler ile çizilen ileri besleme akım gerilim grafiği.
Deneyde kilo-ohm mertebesinden direnç kullandığı için elde edilen akım
değerleri mili-amper mertebesindendir.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
akim
(mA
)
gerilim (V)
97
LabVIEW programı ile deneyin gerçekleştirdiği sırada program içerisinde
akım gerilim grafiği çizilmektedir ancak daha net bir görüntü ve grafiğin daha iyi
incelenebilmesi için elde edilen veriler ile Origin Pro isimli daha gelişmiş bir grafik
programı kullanılarak akım – gerilim grafiği tekrardan çizilmiştir.
Tekrardan LabVIEW programı kullanılarak aynı diyot için geri besleme
deneyi gerçekleştirilmiş ve elde edilen veriler ile Origin Pro programında diyot için
geçerli olan geri besleme grafiği çizilmiştir.
Şekil 5.7: 1N4007 kodlu silisyum diyot için LabVIEW programında gerçekleştirengeri besleme deneyinin ekran görüntüsü (tam sayfa ekran görüntüsü Ek G’ debulunmaktadır).
98
Grafik 0.2: 1N4007 kodlu silisyum diyot için yapılan deney sonrası elde edilenveriler ile çizilen geri besleme akım gerilim grafiği.
1N4007 kodlu silisyum diyot için http://www.datasheetcatalog.com
sitesinden alınan “Diotec” ve “MOSPEC” isimli üretici firmaların sunmuş olduğu
ürün kataloğunda bulunan akım – verilim grafiği elde edilen grafikler ile
karşılaştırıldı.
0 2 4 6 8 10
0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
akim
(mA
)
gerilim (V)
99
Şekil 5.8: 1N4007 diyot için üretici firma “Diotec” in yayımladığı ileri beslemeeğrileri.
1N4007 kodlu diyot için kullanılan MOSPEC firmasının yayımladığı datasheet Ek
A.1’ de, Diotec firmasının yayımladığı datasheet ise Ek A.2’ de yer almaktadır.
Şekil 5.9: 1N4007 diyot için üretici firma “MOSPEC” in yayımladığı geri beslemeeğrileri.
Simülasyon, deney ve üretici firmaların sunduğu datasheetlerin karşılıklı
kıyaslaması yapıldığında; diyot ileri besleme halinde iken tüm sonuçların birbirleri
100
ile tutarlı olduğu görülmektedir. Üretici firma verilerine bakılarak doğru besleme
halinde yaklaşık 0,7 mA mertebesinden sonra devreden geçen akım şiddetinin hızla
artması öngörülmüş ancak deneylerimiz sonucunda bu artışın yaklaşık olarak 0,55
mA seviyesinde gerçekleştiği görülmektedir. Bu durumda elimizdeki diyotun üretici
verileri ile küçük bir fark ile doğru besleme gerçekleştirdiği söylenebilir.
Geri besleme durumda ise üretici firma 120 volt ile 0 volt arasında ki
değerleri µA mertebesinden sunmaktadır. Deney sonuçlarımızda bu mertebeye kadar
inerek çok küçük akımları NI myDAQ ile okuyamadık. 10 volt ile 0 volt arasında
yaptığımız ölçümlerde akım değerinin mA mertebesinde de olsa az bir miktar
düştüğü gözlemlendi ve geri besleme durumunda da diyotun üretici firma verileri ile
hemen hemen tutarlı veriler sergilediği gözlendi.
Bir sonraki adım olarak kod numarası bilinmeyen germanyum diyot
deneylerine geçildi. Diyotun kod numarası bilinmediği için bu diyot ile ilgili
simülasyon yapılamadı ve üretici firmaların yayınladığı katalog bilgilerine
ulaşılmadı. Kod numarası bilinmeyen diyot ile deney yapmasında ki genel amaç;
laboratuvar ortamlarında karşılaşılan bu tarz devre elemanlarının ne kadar sağlıklı
olduğu ve gerçekten germanyum diyot olup olmadığını test etmektir.
Deneyler için gene 9,8 kΩ luk direnç kullanılarak board üzerine devre
kuruldu NI myDAQ ve LabVIEW programı kullanılarak deney gerçekleştirildi.
Şekil 5.10: Kod numarası bilinmeyen germanyum diyot için LabVIEW programındagerçekleştiren ileri besleme deneyinin ekran görüntüsü (tam sayfa ekran görüntüsüEk H’ de bulunmaktadır).
101
İleri besleme deneyi sırasında görüldü ki yaklaşık olarak 0,2mA akım değeri
sonrasında devreden geçen akım hızla artmaktadır. Bu durumda kod numarası
bilinmeyen ancak laboratuvarda germanyum diyot olarak geçen diyot, germanyum
özelliği göstermektedir. Akım gerilim karakteristiği Origin Pro programı ile
tekrardan çizilmiş ve bu grafik, aşağıdaki Grafik 5.3’ de gösterilmektedir.
Grafik 0.3: Kod numarası bilinmeyen germanyum diyot için ileri beseleme grafiği.
Kod numarası bilinmeyen diyotun geri besleme deneyine gerçekleştirildi ve
elde edilen veriler ile akım – gerilim grafiği çizildi. Yapılan deneye ait ekran
görüntüsü Şekil 5.11’ de ve elde edilen grafik, Grafik 5.4’ de gösterilmektedir.
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
akim
(mA
)
gerilim (V)
102
Şekil 5.11: Kod numarası bilinmeyen germanyum diyot için LabVIEW programındagerçekleştiren geri besleme deneyinin ekran görüntüsü (tam sayfa ekran görüntüsüEk I’ de bulunmaktadır).
Grafik 0.4: Kod numarası bilinmeyen germanyum diyot için geri besleme grafiği.
Yapılan deneyler ve bu deneylerden elde edilen verilen ile çizilen grafikler
sonucunda; kod numarası bilinmeyen diyotun germanyum diyot özelliğini taşıdığı
özellikle ileri besleme deneyi sırasında gözlemlenmiştir. Geri besleme deneyinde ise
germanyum diyotun sızıntı akımı mA mertebesinden gözlenebilmektedir ama bu
durum 1N4007 kodlu silisyum diyotta gözlemlenememiştir.
-10 -8 -6 -4 -2 0
-4
-2
0
akim
(mA
)
gerilim(V)
103
Germanyum diyotun testlerinde sonra deneylere 1N4740A kodlu 10 voltluk
silisyum zener diyot ile devam edildi. Öncelikle bu diyot için geçerli olan Multisim
programı hazırlanarak simülasyonlar elde dildi.
Şekil 5.12: 1N4740A kodlu zener diyot için ileri besleme simülasyonu.
Şekil 5.13: 1N4740A kodlu zener diyot için geri besleme simülasyonu.
Simülasyonlar sonrasında board üzerine zener diyotu yerleştirerek, LabVIEW
ortamında hazırlanan program ile NI myDAQ üzerinden deneyler başlandı. Deneyler
sırasında diyot üzerindeki akımı kontrol altında tutabilmek için 9,8 kΩ luk direnç
kullanılmıştır.
104
Şekil 5.14: 1N4740A kodlu silisyum zener diyot için LabVIEW programındagerçekleştiren ileri besleme deneyinin ekran görüntüsü (tam sayfa ekran görüntüsüEk J’ de bulunmaktadır).
İleri besleme deneyi sırasında tam olarak 0,7 mA değerinden sonra devreden
geçen akımın hızla artması bize diyotun düzgün çalışan bir silisyum diyot olduğunu
ayrıca deney ekipmanlarının ve düzeneğin sağlıklı çalıştığı göstermiştir. İleri
besleme deneyi sonrasında elde edilen veriler ile akım gerilim grafiği çizildi.
Grafik 0.5: 1N4740A kodlu zener diyot için ileri besleme grafiği.
-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
akim
(mA
)
gerilim (V)
105
İleri besleme deneyinden, geri besleme deneyine geçildi ve gene 9,8 kΩ luk
direnç kullanılarak devreden geçen akım kontrol altında tutuldu.
Şekil 5.15: 1N4740A kodlu silisyum zener diyot için LabVIEW programındagerçekleştiren geri besleme deneyinin ekran görüntüsü (tam sayfa ekran görüntüsüEk K’ de bulunmaktadır).
Geri besleme deneyinden zener diyotun belirli bir gerilim etkisi sonrasında
iletime geçtiği görülmektedir. Deney sonucunda elde edilen veriler ile çizilen grafik
bu durumu daha ayrıntılı olarak göstermektedir.
Grafik 0.6: 1N4740A kodlu zener diyot için ileri besleme grafiği.
0 2 4 6 8 10-0,002
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,016
0,018
akim
(mA
)
gerilim (V)
106
Üretici firmaların yayınladığı kataloglarda 1N4740A kodlu zener diyot için
ters polarlama (geri besleme) grafikleri bulunmamaktadır ancak bu kataloglardan
1N4740A kodlu zener diyotun 10 voltluk bir diyot olduğu bilgisine ulaşılabilir. Geri
besleme deneyinin grafiğinden de görüleceği üzere diyot tam 10 voltluk gerilim
altında akım geçirmeye başlamıştır.
Şekil 5.16 http://www.datasheetcatalog.com/ sitesinden alınan ve “HITACHI
Semiconductor” firmasına ait datasheet görüntüsü bulunmaktadır. 1N4740A kodlu
zener diyotun ileri besleme grafiği olan bu görüntüdeki veriler ile deneysel veri
sonuçları birebir uyuşmaktadır. 1N4740A kodlu zener diyot için yayımlanan
datasheet Ek B’ de yer almaktadır.
Sonuç olarak zener diyot ile yapılan simülasyonlar ve deneyler üretici firma
verileri ile tam bir uyum içerisindedir. 1N4740A kodlu zener diyot hem teorik
bilgilerle hem de test sonuçları ile tam anlamıyla mükemmel bir uyum göstermiştir.
Sonuç olarak laboratuvarda ve piyasada bulunan 1N4740A kodlu diyotun sunduğu
verilere güvenilir.
Şekil 5.16: 1N4740A kodlu zener diyot için üretici firma “HITACHISemiconductors” ün yayınladığı ileri besleme grafiği.
107
5.2 Transistör Uygulamaları
Deneylerde kullanılmak üzere her bir devre elemanı için ayrı ayrı LabVIEW
programı hazırlandığı diyot ile ilgili deneylerin anlatımı sırasında vurgulanmıştı.
Diyotlar ile ilgili olan deneyler bitirildikten sonra transistör deneylerine geçildi.
Transistör deneylerinde de aynı diyot çalışmalarında olduğu gibi öncelikle transistörü
çalıştıracak olan LabVIEW programı hazırlandı. LabVIEW programı hazırlandıktan
ve test edildikten sonra öncelikle transistör simülasyonu gerçekleştirildi. Piyasadan
rahatlıkla bulunabilen bir transistör olan 2N4401 kodlu transistör seçildi (bu
transistör 2N4401-F51 kod ile de bulunabilmektedir). Bu transistörün seçilmesinin
amacı piyasada rahatlıkla bulunmasının yanı sıra simülasyon programımız olan
Multisim içerisinde de var olmasıdır.
Öncelikle Multisim programında 2N4401 kodlu transistörün akım –gerilim
karakteristik eğrileri elde edildi.
Şekil 5.17: 2N4401 kodlu transistör için akım gerilim simülasyonuna ait ekrangörüntüsü.
Simülasyon sonrasında ilgili LabVIEW programı olan 2N4401 kodlu
transistör kullanılarak deneye başlandı.
108
Şekil 5.18: 2N4401 kodlu transistör için 2 voltluk base gerilimi altında yapılançalışmanın LabVIEW deney görüntüsü (tam sayfa ekran görüntüsü Ek L’ debulunmaktadır).
Transistör deneyleri sırasında base gerilimi 1 volttan başlanarak 10 volta
kadar arttırıldı. Her bir base gerilimi için LabVIEW programında akım gerilim
karakteristik eğrileri elde edilse de 1 volt ile 10 volt gerilimlerinin ara değerlerini de
gösteren toplu grafik Origin Pro programı kullanılarak elde edilmiştir. Çünkü
LabVIEW programı o anda verilen base gerilim için geçerli olan akım gerilim
karakteristik eğrisini vermektedir.
Şekil 5.19: 2N4401 kodlu transistör için 9 voltluk base gerilimi altında yapılançalışmanın LabVIEW deney görüntüsü (tam sayfa ekran görüntüsü Ek M’ debulunmaktadır).
109
Grafik 0.7: 2N4401 kodlu transistör için yapılan deney sonuçlarında elde edilenveriler ile çizilen grafik.
Simülasyon sonuçları ile deney sonuçları karşılaştırıldığında ilk bakışta çok
farklı veriler elde edilmiş gibi görülmektedir ancak simülasyon sonuçları, 0 ile 500
µA mertebesinde iken deney sonuçları 0 ile 0,9 mA mertebesinde bulunmaktadır.
Simülasyon ve deney sonuçları birbirine akımın mertebesi cinsinden tutmakta ve
yaklaşık 0,3 mA lik bir sapma göstermektedir. Ayrıca örnek olarak simülasyonda 10
voltluk base gerilimi altında çalışılırken akım değeri 4,23 µA olarak ölçerken,
deneylerimizde aynı base gerilimi altında bu değer 4,1891 µA olarak elde edildi. Bu
durumda simülasyon sonuçları ile deney sonuçlarının yaklaşık olarak tutarlı olduğu
görülmektedir.
Deney setimizde kullanılan kabloların iç direncinin de bulunması, kullanılan
board bağlantılarının iç direnç oluşturması, kullanılan NI myDAQ’ ın ölçüm
hassasiyetinin bu kadar küçük akımlarda yetersiz kalması gibi bazı gerçekçi
nedenlerden dolayı bu fark kaynaklanabilmektedir. Deney ortamından kaynaklanan
0 2 4 6 8 10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 IB = 0,1351 A, VB = 1V IB = 0,5855 A, VB = 2V IB = 1,0360 A, VB = 3V IB = 1,4864 A, VB = 4V IB = 1,9369 A, VB = 5V IB = 2,3873 A, VB = 6V IB = 2,8378 A, VB = 7V IB = 3,2882 A, VB = 8V IB = 3,7387 A, VB = 9V IB = 4,1891 A, VB = 10VI C
(mA
)
VCE (V)
110
bu ve benzeri sebepler göz önüne alındığında simülasyon ile deney arasında oluşan
fark rahatlıkla açıklanabilmektedir.
Deney ile simülasyon arasında ki karşılaştırma sonucunda mA mertebesinden
%30 luk bir fark görülmesine rağmen http://www.datasheetcatalog.com/ adlı internet
sitesinden alınan ve “ROHM” isimli üretici firmaya ait katalog sonuçlarına
bakıldığında, yapılan deney simülasyona göre daha gerçekçi sonuçlar verdiği
görülmektedir. Aşağıdaki Grafik 2 üretici firmanın sunduğu IC - VCE akım – gerilim
karakteristiğini göstermektedir. Bu grafik görüldüğü üzere 2N4401 kodlu
transistörün IC - VCE akım – gerilim karakteristiği 0 ile 100 mA arasında değişmekte
ve yapılan deney ile tam uyuşmaktadır. Deney de karakteristik eğriler 0 ile 1 mA
arasında üretici kataloğunda 0 ile 100 mA arasındadır bu fark kullanılan dirençlerden
kaynaklanmaktadır. Yüksek akım değerlerine çıkarak NI myDAQ veri analiz kartına
zarar vermek istenmemesi bu farkın asıl nedenidir ve bu yüzden deneylerde yüksek
direnç değerleri kullanılmıştır.
2N4401 kodlu transistör için üretici firma “ROHM” un yayımladığı datasheet
Ek C’ de yer almaktadır.
Şekil 5.20: 2N4401 kodlu transistör için üretici firma “ROHM” un yayımladığı IC –VCE akım – gerilim karakteristik eğrileri.
111
5.3 MOSFET Uygulamaları
Çalışmların MOSFET ayağında (alan etkili metal oksit yarı-iletken transistör),
öncelikle piyasan temin edilen devre elemanlarının Multisim programında ki akım
gerilim karakteristiklerinin simülasyonları elde edildi. Piyasadan temin edilen
MOSFET lerin Multisim programında da olduğu önceden kontrol edilmişti ve
Multisim Programında var olan devre elemanları ile çalışıldı ki böylelikle tutarlı
sonuçlar elde edinilebilirdi.
BS 170 kodlu MOSFET’in akım - gerilim (ID – VDS) karakteristiğini
gözlemlemek için gerçekleştirilen simülasyona ait ekran görüntüsü Şekil 5.18’ de
gösterilmiştir. BS 170 n-kanal, artışlı (enhancement) tarzında bir MOSFET yapısıdır.
Beklenildiği üzere VG’ nin artan değerlerine karşılık IDS değerinin arttığı
gözlenmekte ve karakteristik eğri ortaya çıkmaktadır. Bilindiği üzere VGS değerleri
negatif olarak arttırılmalıdır, karakteristik eğrinin düzgün gözlenebilmesi için
Multisim programında grafik çizilirken, IDS değeri önüne eksi (-) işareti konulmuştur.
Sonuç olarak simülasyon ile beklenilen bir karakteristik eğri elde edildi.
112
Şekil 5.21: BS 170 kodlu MOSFET’ in akım – gerilim (ID – VDS) karakteristiğininMultisim Programında ki simülasyonu.
Simülasyon sonrasında piyasadan temin edilen BS 170 kodlu MOSFET ile
deney aşamasına geçildi. MOSFET board üzerine takıldı, simülasyonda kullanılan
direnç değerlerinin eşdeğerleri board üzerine yerleştirildi, NI myDAQ veri analiz
kartına gerekli bağlantılar yapıldı MOSFET ler için özel hazırlanan LabVIEW
programı çalıştırılarak deneye başlandı.
Deneylerde uygun RG ve RD dirençlerini bulabilmek için öncelikle çeşitli
denemler yapıldı ve sonuç olarak 7,1kΩ değerinde RG direnci ile 1,01MΩ değerinde
RS dirençlerinin kullanılmasına karar verildi. Bu dirençlerin seçilmesinin sebebi VDS
ve VGS 0 ile 10 volt arasında değişirken NI myDAQ veri analiz kartının
kaldırabileceği maksimum akım değerlerini elde edilmesidir. Deneyim simülasyon
aşamasında da bu değerlerdeki dirençler kullanılmıştır.
113
Şekil 5.22: BS 170 kodlu MOSFET’ in -5 volt gate gerilimi altında, akım – gerilim(ID – VDS) karakteristiğinin LabVIEW programında ki deneye ilişkin ekran görüntüsü(tam sayfa ekran görüntüsü Ek N’ de bulunmaktadır).
Şekil 5.22’ de deney sırasında -5 voltluk gate gerilimi uygulandığı anda
MOSFET in akım gerilim karakteristiğini gösteren eğri görülmektedir. Bu eğrinin
Origin Pro programında çizilen son hali aşağıdaki Grafik 5.8 de gösterilmiştir.
Grafik 0.8: BS 170 kodlu MOSFET’ in -5 voltlu VGS gerilim altında ki akım –gerilim (ID – VDS) grafiği.
0 2 4 6 8 10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
akim
(mA
)
gerilim (V)
114
Deney sonucunda elde edilen veri ile çizilen grafik ve simülasyon sonucunda
elde edilen grafik karşılaştırıldığında grafik değerinin tam bir uyum içerisinde olduğu
gözlenmektedir. Fakat ekte sunulan kataloğa bakılacak olunursa BS 170 kodlu
MOSFET 0 ila 60 voltluk VGS ve VDS değerleri arasında çalışmakta ayrıca tam olarak
karakteristik değerlerini 0 ila 1 amper aralığında ki akım değerleri arasında
göstermektedir. Bu değerler kullanılan NI myDAQ için oldukça yüksek değerler olup
cihaz bu değerlere çıkamamaktadır. Bunun sonucunda, deney sırasında VGS değeri ne
kadar arttırılırsa arttırılsın MOSFET in ID değeri artmamakta ve sabit bir üst değerde
kalmaktadır. Her ne kadar -5 voltluk VGS değeri simülasyon ile ortak sonuçlar verse
de diğer VGS değerleri de elde edildiğinde sağlıklı bir ID – VDS akım – gerilim
karakteristiği kullanılan veri analiz kartının yüksek akımlarda çalışmaması nedeniyle
elde edilememiştir. Elde edilen nihai ID – VDS grafiği, Grafik 5.9 da gösterilmektedir.
Grafik 0.9: BS 170 kodlu MOSFET için akım – gerilim (ID – VDS) karakteristikgrafiği.
Elde edilen akım – gerilim karakteristiği, Grafik 5.9’ da görüleceği üzere, VGS
nin değiştiği durumlarda, gate voltajında herhangi bir değişim yaşanmamış gibi sabit
bir eğri vermektedir. Bunun sebebi yukarıda da açıklandığı üzere NI myDAQ veri
analiz kartının yüksek akımlarda çalışmaması nedeniyle düşük akım yaratmak için
kullanılan yüksek dirençler sebebiyle oluşmaktadır. Her ne kadar gate voltajının
0 2 4 6 8 10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
akim
(mA
)
gerilim (V)
IG = 0,9909A; VG= -1V IG = 1,9802A; VG= -2V IG = 2,9703A; VG= -3V IG = 3,9604A; VG= -4V IG = 4,9505A; VG= -5V IG = 5,9405A; VG= -6V IG = 6,9306A; VG= -7V IG = 7,9207A; VG= -8V IG = 8,9108A; VG= -9V IG = 9,9009A; VG= -10V
115
değişimi ile oluşan karakteristik eğriler gözlemlenememiş olsa bile drain geriliminin
artışına bağlı olarak drain akımının artışının beklenen bir eğri yaratması olumlu bir
sonuç olarak düşünülebilir.
Aşağıdaki Şekil 5.23 “DIODES INCORPORATED” isimli üretici firma
kataloğundan alınan ID – VGS eğrilerini göstermektedir. Katalogda yer alan verilere
bakıldığında, katalog verileri ile simülasyon verilerinin birbirlerine uygun olduğu
gözlenmektedir ve böylelikle deneyimizin tek bir değerinin üretici firma verisine
uygun olarak çalıştığı ve BS 170 kodlu MOSFET’ in üretici firmanın öngördüğü
şekilde çalıştığı söylenebilmektedir.
BS170 kodlu MOSFET için üretici firma “DIODES INCORPORATED” un
yayımladığı datasheet Ek D’ de yer almaktadır.
Şekil 5.23: BS 170 kodlu MOSFET için “DIODES INCORPORATED” firmasınınkataloğundan alınana ID – VDS akım – gerilim grafiği.
MOSFET ile yapılan çalışmalara piyasada bolca bulunan ve sıklıkla
karşılaşılan bir başka MOSFET olan BUZ 11 kodlu MOSFET ile devam edildi.
“intersil” isimli üreticiden alınana katalog verileri incelendiğinde bu MOSFET’ in
30A ve 50V gibi çok yüksek akım gerilim değerlerinde çalıştığı ve “power
MOSFET” olarak isimlendirildiği ayrıca RDS iç direnci olarak 0,4Ω luk bir dirence
sahip olduğu bilgilerine ulaşıldı. MOSFET in sahip olduğu yüksek çalışma aralığı ve
iç direncine bakılacak olursa, NI myDAQ ile yapılacak deneylerin istenilen sonuçları
116
veremeyeceği tahmin edilmektedir. Çünkü sahip olunan veri analiz ve işleme kartı
NI myDAQ’ ın bu kadar yüksek değerlerde çalışmadığı hem NI myDAQ ‘ın
kullanıcı kılavuzundan hem de BS 170 kodlu MOSFET ile yapılan deneyler
sonucunda elde edilmişti.
BUZ 11 kodlu MOSFET ile yapılan çalışmalara öncelikle Multisim
programında yapılan simülasyon ile başlandı. Simülasyon sırasında herhangi bir
direnç kullanılmadı çünkü üreticinin katalog bilgilerinde MOSFET içerisinde hali
hazırda direnç olduğu bilgisi yer almaktaydı. Bu yüzden direnç kullanmadan
simülasyon gerçekleştirildi ve simülasyon sonucunda elde edilen akım gerilim (ID –
VDS) grafiği aşağıdaki Şekil 5.24’ de gösterilmektedir. LabVIEW programı
kullanılarak deneysel sonuçlara geçilmeden önce Multisim programında yapılan
simülasyon sonuçlarını üretici firmadan alınan veriler ile karşılaştırmanın BUZ 11
kodlu MOSFET için daha yararlı olacağı düşünüldü ve üretici firmanın yayınladığı
katalogda bulunan veriler karşılaştırma yapıldı.
Şekil 5.24: BS 170 kodlu MOSFET’ in akım – gerilim (ID – VDS) karakteristiğinin
Multisim Programında ki simülasyonu.
117
Şekil 5.25: BUZ 11 kodlu MOSFET için “intersil” firmasının kataloğundan alınanaID – VDS akım – gerilim grafiği.
Yapılan simülasyon ile üretici firmanın yayınladığı katalogdan alınan ID –
VDS grafiklerinin birbirlerine tam olarak uydukları görülmektedir. Bu durumda
üretici firmanın katalog verilerini hazırlarken herhangi bir dış direnç kullanmadığı
görülmektedir.
Hem simülasyonda hem de üretici firmanın verilerinde herhangi bir dış direnç
kullanılmamasına rağmen, LabVIEW programını kullanarak NI myDAQ veri işleme
ve analiz kartı üzerinden yapacağımız deneylerde direnç kullanmak zorunda kalındı,
çünkü veri işleme ve analiz kartının bu kadar yüksek akımlarda çalışması söz konusu
değildir. Akımların düşürülerek benzer bir akım – gerilim eğrisi elde edilebilmesi
için MOSFET’ in source ve gate bacaklarına belirli değerlerde dirençler bağlanarak
deneye geçildi. Bu direnler, veri işleme kartının düzgün çalışabilmesi için RS =12kΩ
ve RG = 1.04MΩ olarak seçildi. Gate akımının artan negatif değerlerine karşılık,
giderek artan periyotlarda ID – VGS grafiklerinin oluşması gerekse de, MOSFET’ in
yüksek akım ve gerilim altında açığa çıkan bu karakteristiği gözlenemedi ancak artan
source gerilime bağlı olarak geçen drain akımı ve akımın kırılma noktası deney
sonucunda elde edildi. Şekil 5.26 deneyler sırasında -5 voltluk gate gerilimine karşı
BUZ 11 kodlu MOSFET’ te oluşan ID – VDS karakteristik akım – gerilim eğrisini
göstermektedir.
118
Şekil 5.26: BUZ 11 kodlu MOSFET’ in -5 volt gate gerilimi altında, akım – gerilim(ID – VDS) karakteristiğinin LabVIEW programında ki deneye ilişkin ekran görüntüsü(tam sayfa ekran görüntüsü Ek O’ da bulunmaktadır).
Gate gerilimini -1 volttan başlatarak 1 voltluk artımlar ile -10 volta
ulaştırdığımız zaman MOSFET’ in bizlere sunduğu karakteristik akım – gerilim (ID –
VDS) grafiği aşağıdaki Grafik 5.10 ‘ da gösterilmiştir.
Grafik 0.10: BUZ 11 kodlu MOSFET için akım – gerilim (ID – VDS) karakteristikgrafiği.
0 2 4 6 8 10
0
10
20
30
40
50
IG = 0,9615A; VG= -1V IG = 1,9230A; VG= -2V IG = 2,8846A; VG= -3V IG = 3,8461A; VG= -4V IG = 4,8076A; VG= -5V IG = 5,7692A; VG= -6V IG = 6,7307A; VG= -7V IG = 7,6923A; VG= -8V IG = 8,6538A; VG= -9V IG = 9,6153A; VG= -10V
akim
(mic
roam
per)
gerilim (V)
119
Her iki MOSFET için yapılan çalışmalar sonucunda transistör de olduğu gibi
akım – gerilim karakteristiklerini düzgün bir şekilde gözlemleyemedik. Bunun temel
nedeni yüksek akım altında çalışan bu cihazlara gerekli besleme akımının
sağlanamamasıdır. Kullanılmış olunan veri analiz NI myDAQ küçük akım ve gerilim
değerlerinde çok net sonuçlar vermesine rağmen, yüksek akım ve gerilim
sağlayamamaktadır.
Yapılan tüm deneylerde tek bir cihazın kullanılmasına dikkat edildi. Bu
sebeple NI myDAQ hem akım – gerilim sağlayıcı hem de bir Avometre olarak akım
– gerilim okuyucu olarak kullanıldı. NI myDAQ’ ın yüksek akım değerlerini
sağlayamaması nedeniyle MOSFET’ lerin karakteristik eğrileri tam anlamıyla
görülememiş olsa dahi artan drain gerilime karşılık source – drain bölgesinde
meydana gelen akımın meydana gelen kıstırma bölgesi ve karakteristik eğrisi
görülebilmektedir.
BUZ11 kodlu MOSFET için üretici firma “İntersil” in yayımladığı datasheet
Ek E’ de yer almaktadır.
120
6 SONUÇLAR
Bu çalışmada, LabVIEW programlama dilinde hazırlanan bir program ile
yarı-iletken devre elemanlarından diyot, transistör ve MOSFET’ lerin çalışma
prensipleri incelenmiş ayrıca Multisim programında yer alan simülasyon yöntemi ile
aynı çalışma prensipleri elde edilerek, genel sonuçlar üreticilerden elde edilen
katalog bilgileri ile karşılaştırılmıştır.
Diyot, transistör ve MOSFET tarzındaki yarı-iletken devre elemanlarının
karakteristik özellikleri; diyot için akım gerilim karakteristikleri (I – V), transistör
için collector – emiter gerilimine karşılık collector akımı karakteristiği (VCE – IC) ve
MOSFET için ise drain – source gerilimine karşılık gelen drain akımı karakteristiği
simülasyon yöntemi kullanılarak elde edilmiş ve incelenmiştir. Aynı karakteristik
eğriler, simülasyonlar sonrasında yapılan deneylerle tekrardan deneysel veri olarak
da elde edilmiş ve gözlemlenmiştir.
Elde edilen deneysel veriler ile bu yarı-iletken cihazların simülasyon
sonuçları, yarı-iletken malzemeyi üreten firmalardan tedarik edilen datasheet
adındaki kataloglarda bulunana karakteristik eğriler ile karşılaştırılmıştır. Yapılan
karşılaştırmalar sonucunda, elde edilen deneysel verilerin ve simülasyon sonuçlarının
üretici firmanın sağladığı bilgiler ile tutarlı olduğu bazı durumlar haricinde
gözlemlenmiştir. Tutarlılığı bozan durumlar, genel olarak deneylerde ve
simülasyonda kullanılan dirençlerin, üretici firmaların katalog bilgilerini
oluştururken kullandığı dirençlerden farklı olması sonucunda oluşmuştur. Bu yargıya
varılmasının temel nedeni deneyler sırasında kullanılan dirençlerin değiştirilmesi ile
elde edilen verilen değişmesi ve uygun dirençlerin eklenmesi ile üretici firma
verilerine ile birebir sonuçların elde edilmesi sonucunda ulaşılmıştır. Deneyler
sırasında kullanılan dirençlerin değiştirilerek üretici firma verilerine yaklaşılmasına
rağmen kullanılan deney cihazlarının sağlıklı çalışabilmesi için daha yüksek
değerlerde ki dirençler kullanılmış ve deneyler bu şekilde sonuçlandırılmıştır.
121
Elde edilen deneysel sonuçların simülasyon sonuçları ile uygunluğunun
sağlanması için hem simülasyon sırasında hem de deney sırasında aynı değerlerde ki
dirençlerin kullanılmasına özen özen gösterilmiştir. Bu durum sonucunda da diyotlar
için yapılan deney ve simülasyonların birbirleri ile uyumlu oldukları ve katalog
bilgileri ile de uyum göstererek, diyot üzerine yapılan çalışmaların başarılı sonuçlar
verdiği söylenebilmektedir.
Transistörler üzerine yapılan çalışmalarda ise kullanılan dirençler üretici
firmaların katalog bilgilerini oluştururken kullandıkları dirençlerden yaklaşık bin kat
daha büyük seçilmiştir. Bunu temel nedeni deneylerin gerçekleştirildiği veri okuma
kartının (NI - myDAQ) yüksek akım değerlerinde çalışamamasıdır. Bu sebeple deney
ve simülasyon sonucunda elde edilen veriler, katalog verilerinden üç basamak daha
küçük sayılar göstermektedir fakat bir transistörün yapısına ve katalog verilerine
uygun karakteristik eğriler üç basamak daha küçük akım değerleri şeklinde elde
edilmiştir.
Yarı-iletken devre elemanlarından olan MOSFET’ ler üzerine yapılan
deneylerde ise katalog bilgilerine uygun sonuçlar elde edilememiştir. Bu durumun
temel sebebi, yüksek akım – gerilim altında çalışan bu devre elemanlarını sahip
olduğumuz veri analiz kartının (NI – myDAQ) yeterince besleyememesidir.
MOSFET’ ler yeterince beslenemedikleri için farklı base akımlarına karşılık gelen
farklı VDS – ID grafikleri gözlemlenememiştir ancak MOSFET yapısına uygun
karakteristik VDS – ID grafiği elde edilmiştir. Elde edilen bu grafikler farklı base
akımları altında hemen hemen aynı kalmaktadır çünkü MOSFET’ lerin base
bacakları yeterli akım veri okuma kartında var olan akım koruması nedeniyle
uygulanamamıştır.
Üniversitelerin öğrenci laboratuvarlarında her yıl tekrarlanan akım gerilim
karakteristiğine ait deneyler bu çalışma esnasında yaratılan LabVIEW programı ile
bilgisayar ortamına taşınmış ve genel olarak başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Bu
deneyler klasik yöntemler ile yapılmak istendiğinde birden çok laboratuvar cihazına
(osiloskop, sinyal jeneratörü, avometre, güç kaynağı vb.) ihtiyaç duyulmaktadır.
Çalışmalar sıranda yaratılan LabVIEW programı ile birçok laboratuvar cihazının
yerini tek bir veri okuma kartı almaktadır.
122
Günümüzde birçok üniversitede gerçekleştirilen akım – gerilim karakteristiği
deneyleri yapılırken, öğrencilerin yeni nesil programlama dili olan LabVIEW ile
tanışmaları ve kullanmaya başlamalarının bu ve benzeri laboratuvar deneyleri ile
sağlanabileceği görülmektedir. Ayrıca klasik yöntemler nazaran çok daha düşük
maliyetler ile aynı deneylerin yapılabileceği gözlemlenmiştir.
Çalışmalar sırasında yaratılan LabVIEW programının geliştirilmesi ve daha
iyi bir besleme sağlayan veri analiz kartı kullanılması sonucunda, tüm yarı-iletken
devre elemanları için gerekli olan bütün deneylerin tek bir board üzerinde ve
tamamen bilgisayar kontrollü bir şekilde gerçekleştirebileceği belirlenmiştir.
123
KAYNAKLAR
Akdoğan, E., (17 Haziran 2014),http://www.yarbis1.yildiz.edu.tr/web/userCourseMaterials/eakdogan_9538915dfb202e9526dfcf214f7e0512.pdf, (2013).
Atalla, M. M., Tannenbaum, E., Scheibner, E. J., Stabilization of Silicon Surfaces byThermally Grown Oxides, Bell. Syst. Tech. J., vol. 38, no. 3, (1959).
Berlin, L., Casey, H. Jr., Robert Noyce and the Tunnel Diode, IEEE Spectrum, vol.42, no. 5, ,( 2005).
Boyle, W. S., Smith, G. E., The İnception of Charge-Coupled Devices, IEEE Trans.Electron Dev., vol. 23, no. 7, 61–663,(1976).
Boylestad, L. R., Nashelsky, L., Elektronik Cihazlar ve Devre Teorisi, (Çev: AdnanKöksal, Ahmet Selçuk, Sevda Özdemir, Şölen Kumbay Yıldız, Gürhan Bulu),Ankara, 2 – 406, (2011).
Busch, G., “Early history of the physics and chemistry of semiconductors fromdoubts to fact in a hundred years”, Eur. J. Phys., vol. 10, no. 4, pp. 254–263, (1989).
Laeri, F., Schüth, F., Simon, U., Wark, M., Host Guest Systems Based onNanoporous Crystals. Weinheim: Wiley, (2003).
Demirtürk, T., http://www.fzktrk.com/ (14 Nisan 2014)http://fzktrk.com/index.php?option=com_jdownloads&Itemid=723&view=viewdownload&catid=3&cid=44, (2014).
Esaki, L., Discovery of the Tunnel Diode, IEEE Trans. Electron Dev., vol. 23, no. 7,644–647, (1976).
Esaki, L., Tsu, R., Superlattice and negative conductivity in semiconductors, IBMRes. Note, RC-2418, March (1969).
Floyd, T. L., Electronic Devices: Electron Flow Version, New Jersey: Pearson,(2012).
Grundman, M., The Physics of Semiconductors. Berlin Heidelberg: Springer,(2006).
Hoddeson, L., Braun, E., Teichmann, J., Weart, S., Out of the Crystal Maze:Chapters in the History of Solid State Physics. New York: Oxford University Press,(1992).
124
Hofstein S. R., Heiman, F. P., Silicon İnsulated Gate Field Effect Transistor, Proc.IEEE, vol. 51, no. 9, (1963).
Jenkins, T., “A brief history of semiconductors”, Institute of Mathematical andPhysical Sciences, University of Wales, Aberystwyth SY23 3BZ, UK, (2005)
Lukasiak, L., Jakubowski A., “History of Semiconductors”, Institute ofMicroelectronics and OptoelectronicsWarsaw University of Technology Koszykowast 7500-662 Warsaw, Poland (2010).
National Instruments Corporation., NI myDAQ User Guide and Specifications,Texas, (2011).
Orton, J., Semiconductors and the Information Revolution: Magic Crystals thatMade IT Happen. Amsterdam: Academic Press/Else- vier, (2009).
Orton, J., The Story of Semiconductors. Oxford: Oxford University Press, 2004.
Perry, T.S., Not Just Blue Sky, IEEE Spectrum, vol. 39, no. 6, pp. 33–37, (2002).
Perlin, J., From Space to Earth: The Story of Solar Electricity. Cambridge: HarvardUniversity Press, (2002).
Riordan, M., Hoddeson, L., Herring, C., The İnvention of the Transistor, Rev. Mod.Phys., vol. 71, no. 2, pp. S336–S345, (1999).
Riordan M., Hoddeson, L., The origins of the p-n junction, IEEE Spectrum, vol. 34,no. 6, (1997).
Ross, I. M., The invention of the transistor, Proc. IEEE, vol. 86, no. 1, pp. 7–27,(1998).
Saraswat, K. C., Mohammedi, F., Meindl, J. D., “WSi2 Gate MOS Devices”, inProc. IEDM Tech. Dig., Washington, USA, 462–464, (1979).
Kerwin, R. E., Klein, D. L., Sarace, J. C., Method for making MIS structures, USPatent 3 475 234, filed March 27, 1967, issued Oct. 28, (1969).
Travis, J., Kring, J., Herkes İçin LabVIEW, (Çev: A. Mavi, Y. Demir, M. Ertuğrul,F. Aşkın, M. T. Yurtcan, S. Duman, M. A. Ceviz, S. Aydın, M. Kundakçı ve A. Daş)Palme Yayıncılık, 1-123, (2012).
Wanlass, F. M., Sah, C. T., Nanowatt Logic Using Field-Effect Metal-OxideSemiconductor Triodes, in Proc. Techn. Dig. IEEE 1963, Int. Solid-State Circ. Conf.,Philadelphia, USA, (1963).
125
EKLER
126
EKLER
EK A.1 1N4007 Kodlu Diyot İçin “MOSPEC” Üretici Firmasının
Yayımladığı Datasheet.
127
128
EK A.2 1N4007 Kodlu Diyot İçin “Diotec” Üretici Firmasının
Yayımladığı Datasheet.
129
130
EK B 1N4740A Kodlu Zener Diyot İçin “HITACHI Semiconductor”
Üretici Firmasının Yayımladığı Datasheet.
131
132
133
134
135
EK C 2N401 Kodlu Transistör İçin “ROHM” Üretici Firmasının
Yayımladığı Datasheet.
136
137
138
139
EK D BS170 Kodlu MOSFET İçin “DIODES INCORPORATED”
Üretici Firmasının Yayımladığı Datasheet.
140
141
EK E BUZ11 Kodlu MOSFET İçin “intersil” Üretici Firmasının
Yayımladığı Datasheet.
142
143
144
145
146
EK F 1N4007 Kodlu Diyot İçin Yapılan İleri Besleme Akım – Gerilim
Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.
147
EK G 1N4007 Kodlu Diyot İçin Yapılan Geri Besleme Akım – Gerilim
Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.
148
EK H Kod Numarası Bilinmeyen Diyot İçin Yapılan İleri Besleme Akım
– Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.
149
EK I Kod Numarası Bilinmeyen Diyot İçin Yapılan İleri Besleme Akım –
Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.
150
EK J 1N4740A Kodlu Zener Diyot İçin Yapılan İleri Besleme Akım –
Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.
151
EK K 1N4740A Kodlu Zener Diyot İçin Yapılan Geri Besleme Akım –
Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.
152
EK L 2N4401 Kodlu Transistör İçin 2 Voltluk Base Gerilimi Altında
Yapılan Akım – Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.
153
EK M 2N4401 Kodlu Transistör İçin 9 Voltluk Base Gerilimi Altında
Yapılan Akım – Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.
154
EK N BS170 Kodlu MOSFET İçin -5 Voltluk Gate Gerilimi Altında
Yapılan Akım – Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.
155
EK O BUZ11 Kodlu MOSFET İçin -5 Voltluk Gate Gerilimi Altında
Yapılan Akım – Gerilim Karakteristiği Deneyinin Ekran Görüntüsü.
156
EK P MOSFET Çalışmaları İçin Hazırlanan LabVIEW Programının
Block Panel Ekran Görüntüsü.
157
ÖZGEÇMİŞ
Ad Soyad: Zekeriya Mehmet YÜKSEL
Doğum Yeri ve Tarihi: Denizli 30.09.1982
Adres: Servergazi Mah. 402 Sok. Akhan Sit. B Blok
No: 52. D: 19.
Merkez / DENİZLİ.
Lisans Üniversite: Pamukkale Üniversitesi.
